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锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)O3或PZT]陶瓷的压电性能可以通过制造将晶粒沿特定方向排列的纹理陶瓷来增强。
2023年4月6日，西安交通大学李飞、哈尔滨工业大学常云飞及澳大利亚伍伦贡大学张树君共同通讯在Science在线发表题为“Lead zirconate titanate ceramics with aligned crystallite grains”的研究论文，该研究开发了一种具有排列晶粒的锆钛酸铅陶瓷。该研究采用新开发的Ba(Zr,Ti)O3微板模板，采用种子钝化工艺制备了PZT陶瓷。
该工艺不仅保证了模板诱导的富钛PZT层晶粒生长，而且还通过锆和钛的层间扩散促进了所需的成分。该研究成功地制备了具有优异性能的纹理PZT陶瓷，包括居里温度为360°C，压电系数d33为760皮库仑/牛顿，g33为100毫伏米/牛顿，机电耦合k33为0.85。该研究通过抑制PZT粉末和钛酸盐模板之间严重的化学反应，克服了制造有纹理的菱形PZT陶瓷的挑战。
另外，2022年4月21日，西安交通大学李飞，哈尔滨工业大学田浩及卧龙岗大学张树君共同通讯在Science在线发表题为“Ferroelectric crystals with giant electro-optic property enabling ultracompact Q-switches”的研究论文，该研究通过铁电相、晶体取向和极化技术的协同设计，成功去除了所有光散射畴壁，并在增透膜涂层晶体中实现了 99.6% 的极高透射率，具有 900pm V−1的超高 EO 系数 r33 ，比传统使用的 EO 晶体高 >30 倍。使用这些晶体，该研究制造了需要极低驱动电压的超紧凑型 EO Q 开关，其性能优于商业 Q 开关。这些材料的开发对于 EO 器件的便携性和低驱动电压具有重要意义。
2020年1月15日，西安交通大学徐卓，李飞及宾夕法尼亚州立大学Chen Long-Qing共同通讯在Nature在线发表题为“Transparent ferroelectric crystals with ultrahigh piezoelectricity”的研究论文，该研究通过相场模拟和实验相结合，展示了一种相对简单的方法，该方法使用交流电场来设计最初不透明的菱面体Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PMN- PT）晶体可同时产生近乎完美的透明度，超高压电系数d33（每牛顿大于2,100皮库仑），出色的机电耦合系数k33（约94％）和较大的电光系数γ33（每百米约220皮米/伏特），这远远超出了常用的透明铁电晶体LiNbO3的性能。该研究发现，增加畴尺寸会导致[001]取向菱面体PMN-PT晶体具有更高的d33值，这挑战了传统的观念，即减小畴尺寸始终会导致更高的压电性。这项工作提出了通过铁电领域工程实现高透明性和压电性的范例，该研究的透明铁电晶体有望能够为广泛的混合设备应用提供一条途径，例如医学成像，自能量收集触摸屏和隐形机器人设备。
2019年4月19日，西安交通大学李飞（西安交通大学为第一单位）及美国宾夕法尼亚州立大学张树君共同通讯在Science在线发表题为“Giant piezoelectricity of Sm-dopedPb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3single crystals”的研究论文，该研究成功地生长了Sm掺杂的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（Sm-PMN-PT）单晶，其d33值甚至更高，范围为每牛顿3400至4100pC N-1，具有良好的性能均匀性，这些晶体是各种传感应用的理想选择，可以通过消除浪费来降低成本。用扫描透射电子显微镜对原子尺度的Sm-PMN-PT进行了表征，以确定巨大的压电特性是由Sm3 +掺杂剂引入的增强的局部结构非均匀性引起的。因此，稀土掺杂被认为是引入局部结构异质性以增强弛豫铁电晶体的压电性的一般策略。
介电材料对电场有机械反应，反之亦然，在许多机电应用中，介电材料对电场有机械反应。具有形态相边界(MPB)成分的锆钛酸铅(PZT)陶瓷[Pb(Zr,Ti)O3，其中Pb位于ABO3钙钛矿结构的A位点，Zr和Ti位于B位点]具有较大的压电活性优劣系数(FOMs)，以及相对较高的居里温度TC(~350°C)。它们也容易以低成本制造。因此，基于PZT基的陶瓷作为最经典和最先进的钙钛矿固溶体，是众多压电器件的首选材料，如用于微纳制造的高精度执行器，用于医学成像和治疗的超声波换能器，以及为远程物联网设备提供动力的机械能采集器。
随着现代医疗诊断和精密制造的需求不断提高，人们对压电材料的性能提出了更高的要求，并对PZT陶瓷的压电活性进行了优化。最有效的方法之一是诱导结构不稳定，如在PZT陶瓷中添加Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)和Pb(Ni1/3Nb2/3)O3(PNN)。然而，这种方法将降低TC并降低矫顽力场EC。TC的降低降低了机电性能的热稳定性，并限制了压电器件的可用温度范围。电导率的降低导致压电陶瓷更容易去极化，降低了输出能量密度，并增加了压电换能器结构的复杂性。用铋基弛豫端元取代PZ会导致更高的TC(~450°C)，因为BiScO3的耐受因子较低；然而，BS-PT存在一些缺点，如制造困难、机电耦合系数低、氧化钪成本高，限制了对其改性的进一步研究。
PZT织构陶瓷的显微结构分析（图源自Science）
钙钛矿铁电晶体的研究为在不牺牲TC和EC的情况下增强PZT陶瓷的压电性提供了线索，因为这些材料表现出很强的压电各向异性。例如，菱形 PMN-PbTiO3和BaTiO3沿 <111> 方向的自发极化沿<001>方向的d33最高，是陶瓷取向的三到七倍，但具有相同的TC。然而，由于ZrO2、TiO2和PbO的不一致熔化，生长出可用尺寸(> 5mm)的PZT单晶仍然是不可实现的。
该研究成功地制备了一系列PZT基织构陶瓷，具有高机电性能和高TC，这在过去几十年里是无法实现的。该研究的方法解决了压电性和居里温度只能以相互牺牲为代价来增强的困境。除了预期的令人鼓舞的机电性能及其对最重要和最广泛使用的铁电固溶体的基本理解的影响之外，这项工作还提供了一种制造纹理陶瓷的通用路线，因为模板和陶瓷粉末之间不可避免的化学反应尚未制造出来。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6161
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