第一作者：代浩宇

通讯作者：杜鹏副教授、罗来慧教授

通讯单位：宁波大学物理科学与技术学院

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202518029

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多功能传感材料在受限空间使用时可以大大降低传感系统的复杂性。铋层状铁电材料 Bi₄Ti₃O₁₂（BIT）在喷气发动机和核反应堆中使用时，有望同时具备压电振动监测和温度检测的双重功能。本文章开发了 Bi_4–xEr_xTi_2.98(W/Nb)_0.01O₁₂ （BNWT:xEr，x = 0, 0.01, 0.03, 0.05 和 0.1）陶瓷，其具有最佳压电系数 d₃₃ 为 36 pC/N 和高居里温度 657 °C。掺杂 Er³⁺ 可以显著增强 BNWT:xEr 的压电和铁电性能，而不会牺牲居里温度。引入 Er³⁺ 可有效减少氧空位的形成以及晶格常数 a、b 和 c 的差异。BNWT:0.03Er 中增强的压电性能与氧空位浓度的降低和正交畸变有关。最重要的是，通过掺入 Er³⁺，陶瓷能够在较宽的温度范围（173–773 K）内利用荧光强度比（FIR）技术实现光学温度传感功能，并通过发光颜色的变化实现高温预警能力。Er³⁺ 掺杂所实现的压电振动监测与光学温度传感的双重功能，为极端环境下的原位监测提供了一种新型的综合传感解决方案。

背景介绍

铁电材料作为一类极其重要的功能材料，凭借其正逆压电效应实现机械振动与电信号间卓越的相互转换能力而备受关注。铋层状铁电体（BLSFs）因兼具压电特性与热稳定性，已成为极端环境传感领域的候选材料。这类陶瓷材料具有Aurivillius相结构特征，在超过500℃的高温下仍表现出卓越的稳定性，使其在喷气发动机实时结构健康监测、核反应堆仪器仪表等恶劣环境应用中优于传统铅基压电材料。 Bi₄Ti₃O₁₂（BIT）是一种重要的铋层状铁电体，其居里温度高达675℃。然而，纯BIT陶瓷由于固有的氧空位，具有低压电系数（d₃₃ = 6~8 pC/N）和高漏电，这极大地阻碍了其在实际中的应用。在BIT的A/B位进行化学掺杂是提高压电常数和高温下电阻率的有效策略。此外，当用于喷气发动机和核反应堆时，双功能压电陶瓷有望同时具备压电振动监测与温度检测的双重功能，这种多功能陶瓷可有效降低传感系统的复杂性。传统压电陶瓷不具备温度感知能力。稀土元素Er³⁺离子因其独特的能级特性，其通过荧光强度比（FIR）技术已在玻璃和陶瓷领域广泛应用于温度传感。

研究出发点

1）尝试将高性能压电特性（用于振动监测）与固有光学测温功能（用于温度感知）集成于单一双功能BLSF陶瓷。这种集成型BNWT:xEr陶瓷为简化航空发动机等极端环境中的原位状态监测提供了借鉴，无需再使用独立的振动和温度传感器。

2）通过A/B位共掺杂技术将Er³⁺离子独特引入双功能陶瓷，在实现宽温度范围温度检测的同时增强压电性能，且不降低居里温度。此外，制备的陶瓷可通过荧光颜色变化实现高温可视化预警。

图文解析

从图可见，所有陶瓷均呈现正交对称性，且未检测到杂相。值得注意的是 (117)峰向小角度方向移动，这表示Er³⁺掺杂后晶格发生膨胀。尽管Er³⁺（0.89 Å）与Bi³⁺（1.03 Å）为等价取代，但其半径更小，晶格膨胀可归因于Er³⁺掺入有效抑制了Bi³⁺挥发与氧空位形成，该作用主导于离子尺寸替代效应。晶格空位缺陷会促使周围原子向空位中心迁移以恢复力学平衡，从而缩小原子间距；而Er³⁺掺杂降低空位浓度，进而促使晶格参数扩大。此外，当Er³⁺掺杂量x从0.01增至0.1时，(117)峰位未发生明显移动，这源于两种竞争机制的平衡：较小Er³⁺替代较大Bi³⁺倾向于缩小晶格，而空位浓度降低则促使晶格膨胀，二者相互抵消使峰位在实验分辨率内保持不变。

图1. BNWT:xEr陶瓷的XRD衍射图谱

为深入探究Er³⁺掺杂对BNWT陶瓷晶体结构的影响，本研究选取BNWT及BNWT:0.03Er样品，基于正交BIT相（空间群B2cb）进行了XRD Rietveld精修。精修结果拟合良好，可靠性参数优异（R_wp与GOF分别低至5.23%/1.359和5.16%/1.279）。分析表明，半径较小的Er³⁺（0.89 Å）取代Bi³⁺（1.03 Å）引入压应变，并引起正交畸变参数b/a从0.9927略微增至0.9929，使其趋近于1。这一结构变化减弱了正交畸变，促进了a-b面内自发极化的旋转，从而显著提升了BNWT:0.03Er陶瓷的压电性能。

图2. BNWT:xEr 陶瓷精修数据与模型结构

进一步系统研究了BNWT:xEr陶瓷的压电与介电性能。随着Er³⁺掺杂量x从0增至0.1，压电常数d₃₃先增后减，并在x=0.03时达到最优值36 pC/N，较纯的BIT陶瓷提升约4–5倍，且所有样品均保持约655°C的高居里温度，表明Er³⁺掺杂在提升压电性能的同时未牺牲温度稳定性。介电温谱显示，在x=0.01样品中于350°C附近出现微弱介电异常，高掺杂（x=0.1）时离子迁移增强可能诱发类弛豫行为。重要的是，BNWT:0.03Er展现出优异的高温稳定性：500°C退火后d₃₃保持率达94.4%，450°C老化800小时后仍维持初始d₃₃的88.9%，同时其在500°C以下介电损耗保持稳定（tanδ <7%），这些特性表明该材料具备良好的高温应用潜力

图3. BNWT:xEr 陶瓷的压电系数与介电性能

通过原子力显微镜（AFM）对BNWT:0.03Er陶瓷的畴结构进行分析，发现其呈现规整的砖块状畴形貌，畴区宽度约1 μm，相邻畴间相位差约为180°，表明具有相反的极化方向。与未掺杂BNWT中因氧空位浓度较高所形成的复杂不规则畴结构相比，Er³⁺掺杂有效降低了氧空位浓度，减弱了畴壁与氧空位间的钉扎作用，同时减少了畴结构在室温下的紊乱程度，提升了畴壁翻转性，进而增强材料的压电响应与极化特性。此外，局部电滞回线测试显示出典型的非对称蝴蝶曲线和约180°的相位反转，证实BNWT:0.03Er陶瓷具有良好的铁电特性。

图4. BNWT: 0.03Er 陶瓷的畴结构

为了进一步验证陶瓷相关的结构特性进行了TEM表征。TEM图显示BNWT:0.03Er陶瓷中存在条带状铁电畴，畴宽度约1 µm，与PFM观测结果一致。TEM图表明材料结晶质量良好，测得晶面间距为0.298 nm的晶面为(117)晶面，同时可见畴壁形成的亮条纹。选区电子衍射（SAED）分析显示，相邻A、B畴区的电子衍射斑点完全一致，均沿[11̅0]晶带轴方向，衍射斑点可指标化为(117)与(0012)晶面，进一步证实了晶体结构的规整性。

图5. BNWT:xEr 陶瓷的TEM图

BNWT:0.03Er陶瓷的上转换发光颜色随温度发生显著变化：在623 K以下以绿光为主，673–723 K区间转变为黄光，773 K时转为红光。由于材料压电性能在773 K（500 °C）开始退化，此时的红光发射可直观提供高温失效预警。该材料同时具备优异的压电性能与上转换发光特性，能够实现高温环境下的压电振动传感与光学温度探测双功能集成，特别适用于航空发动机及核电站汽轮机等极端环境中的多模态传感与安全预警。

图6. BNWT:xEr陶瓷的应用机理

总结与展望

本研究通过传统烧结方式制备了BNWT:xEr（x = 0, 0.01, 0.03, 0.05 和 0.1）陶瓷。Er³⁺掺杂有效减少了氧空位，使BNWT:0.03Er实现了高压电常数（d₃₃ = 36 pC/N）和优异的电学稳定性，其高居里温度达到657°C，500°C下电阻率为4.2×10⁶ Ω·cm。 BNWT:0.03Er能够通过荧光比例技术在宽温度范围（173–773 K）内作为温度计使用，其发光颜色变化可提供可视化热报警。绝对灵敏度S_a在523 K时达到最大值3.5×10^-3K^-1，环境温度下的温度偏差为±0.54°C，显示出高的可靠性。这些特性结合宽广的检测范围，使BNWT:0.03Er陶瓷在压电振动监测和温度传感的一体化应用中具有良好的应用前景。

课题组介绍

罗来慧教授课题组主页：https://phys.nbu.edu.cn/info/1352/11382.htm

原文信息

Dai H Y, Zhao K, Wang T, Wang J, Jiang H, Du P, Sun R B, Luo L H. Dual Achievements of Piezoelectric Enhancement and Temperature Sensing in Bi₄Ti₃O₁₂ Ceramics via Er³⁺ Doping. Adv. Funct. Mater.2025, 202518029.