北卡州立大学团队提出新方法 无铅电容材料实现突破

美国北卡罗来纳州立大学的研究团队近日在《自然·通讯》（Nature Communications）发表最新成果，展示了一种通过调控薄膜厚度来精准控制材料“相界”的新方法。这一进展有望推动新一代无铅电容器材料的发展，为电容和通信技术带来更环保的解决方案。

相界调控的新思路
在材料科学中，同一种材料可能呈现出多种晶体结构，而相界就是这些结构在过渡过程中共存的区域。相界的分布对材料性能至关重要，例如可以提升材料的介电和压电特性。过去，科学家通常通过化学手段来调节相界，但这往往依赖含铅等有毒元素。对于不含铅的薄膜材料，由于钠等元素的高挥发性，传统方法难以奏效。

“我们提出了一种全新的物理方法，通过改变薄膜厚度来调控其应变，从而精准控制相界的分布。”论文通讯作者、北卡州立大学材料科学与工程系助理教授Ruijuan Xu介绍说，“薄膜越薄，材料承受的应变越大，相界分布也随之发生变化。”

以 NaNbO₃ 为突破口
研究团队选择了铌酸钠（NaNbO₃）作为研究对象。它是铌酸钾钠（KNN）家族的一员，属于有潜力应用于铁电器件的无铅材料。研究人员采用脉冲激光沉积技术制备外延薄膜，并精确控制厚度。他们发现，NaNbO₃ 薄膜中两种晶相（MB 和 MC）的比例与厚度呈线性关系：薄膜越薄，MC 相越占主导地位。

“这意味着我们可以像‘调配配方’一样，通过厚度来控制不同晶相的比例。” Xu解释道，“而不同晶相之间复杂的相互作用，正是决定相界分布和材料性能的关键。”

性能媲美含铅材料
令人惊喜的是，实验结果显示，NaNbO₃ 薄膜不仅具有稳定的结构特征，还展现出极为优异的介电性能。其介电常数可与最好的含铅薄膜相媲美，甚至更胜一筹。更重要的是，研究团队还能控制其“可调性”——通过外加电场改变材料的介电常数。这一特性对通信等需要快速调控的应用至关重要。

应用前景广阔
研究人员指出，这一方法不仅适用于 NaNbO₃，还可以推广到包括 KNN 在内的其他无铅材料体系，为下一代无铅介电和铁电器件提供新的研究思路。

该论文题为《Strain-Induced Lead-free Morphotropic Phase Boundary》，第一作者为北卡州立大学博士生 Reza Ghanbari。研究工作联合了康奈尔大学、阿肯色大学、阿贡国家实验室、德雷塞尔大学、斯坦福大学、宾州州立大学等机构，综合运用了多种先进的实验与计算手段。本研究获得了美国国家科学基金会、美国化学学会石油研究基金、美国陆军研究办公室以及美国能源部等多方资助支持。