Simultaneous Enhancement of Piezoelectricity and Temperature Stability in KNN‐Based Lead‐Free Ceramics Via Layered Distribution of Dopants

材料科学 掺杂剂 压电 陶瓷 兴奋剂 复合材料 介电常数 压力(语言学) 大气温度范围 相变 凝聚态物理 电介质 光电子学 纳米技术 热力学 哲学 物理 语言学
作者
Aizhen Song,Yixuan Liu,Tianyi Feng,Haitao Li,Yuanyuan Zhang,Xuping Wang,Lisha Liu,Bo‐Ping Zhang,Jing‐Feng Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (34) 被引量:72
标识
DOI:10.1002/adfm.202204385
摘要

Abstract The past two decades have seen a great enhancement of piezoelectric coefficients ( d 33 ) to higher than 570 pC/N in (K, Na)NbO 3 (KNN) piezoelectrics, but one notoriously unresolved issue is their severe temperature instability, obstructing them toward practical applications. The present work demonstrates a facile approach to overcome this problem by introducing a layered distribution of key dopants (Li and Sb) in a monolithic ceramic, featuring stepwise varied polymorphic phase transition (PPT) temperatures along the thickness direction. The dopant‐graded ceramic exhibits an outstanding d 33 of 508 pC/N and a very large piezoelectric strain ( S uni , of 0.18%). More importantly, an excellent temperature stability ( d 33 variation within 13% over the temperature range of 25–150 ° C) is achieved, which is superior to that of most state‐of‐art KNN counterparts. These are attributed to the construction of spatially diffused PPT in combination with enhanced polarization, permittivity, and piezoresponse through interfacial effect, including the Maxwell–Wagner effect and intergranular stress by gradient doping. The results offer an alternative strategy for designing high‐performance piezoelectric materials with desirable temperature reliability.
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