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Ultrahigh piezoelectric performances of (K,Na)NbO3 based ceramics enabled by structural flexibility and grain orientation

灵活性(工程) 压电 材料科学 方向(向量空间) 陶瓷 纳米技术 光电子学 复合材料 几何学 数学 统计
作者
Lifeng Zhu,Dong Liu,Xiaoming Shi,Shiqing Deng,J. Liu,Liyu Wei,Ziqi Yang,Qi Wang,Bo‐Ping Zhang,Houbing Huang,Shujun Zhang,Jing‐Feng Li
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:16 (1) 被引量:2
标识
DOI:10.1038/s41467-025-56074-8
摘要

(K,Na)NbO3-based ceramics are deemed among the most promising lead-free piezoelectric materials, though their overall piezoelectric performance still lags behind the mainstream lead-containing counterparts. Here, we achieve an ultrahigh piezoelectric charge coefficient d33 ∼ 807 pC·N−1, along with a high longitudinal electromechanical coupling factor (k33 ∼ 88%) and Curie temperature (Tc ∼ 245 °C) in the (K,Na)(Nb1-xSbx)O3-Bi0.5Na0.5ZrO3-BiFeO3 (KNN-xSb) system through structural flexibility and grain orientation strategies. Phenomenological models, phase field simulations and high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy reveal that the structural flexibility originates from the high Coulomb force between K+/Na+ ions and Sb ions in the KNN-xSb system, while the grain orientation promotes the displacement of B-site cations leveraging the engineered domain configuration. As a result of its excellent comprehensive piezoelectric properties, the textured KNN-5Sb/epoxy 1-3 piezoelectric composite is found to possess a broader bandwidth BW = 60% and higher amplitude output voltage than commercial PZT-5 and other KNN counterparts. These findings suggest that the textured KNN-5Sb ceramics could potentially replace current lead-based piezoceramics in transducer applications. The authors achieve piezoelectric coefficient d33 ∼ 807 pC·N−1, along with high k33 ∼ 88 % and Tc ∼ 245 °C in (K,Na)(Nb1-xSbx)O3-Bi0.5Na0.5ZrO3-BiFeO3 system through structural flexibility and grain orientation strategies.
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