摘要

压电材料是实现机械能与电能相互转换的重要功能材料，在传感器、精密驱动器、能量收集及微机电系统等领域具有广泛应用。压电材料的性能与其微观晶体结构密切相关，不同晶体结构所具有的极化方式、离子位移特征及畴结构差异，使其表现出不同的压电响应和应用优势。近日，重庆大学牟笑静教授及重庆理工大学王发扬，系统综述了钙钛矿、纤锌矿和萤石型三类典型压电材料的晶体结构、压电机制及性能特点，并针对不同结构体系总结了相应的性能优化策略。重点讨论了元素掺杂、缺陷工程、异质结构薄膜、复合薄膜以及缓冲层调控等方法，重点阐述了其性能提升的物理机制。通过这些策略的跨结构比较，这篇综述确立了结构与性能之间的关系，为材料的选择和设计提供了基础指南。在此基础上，文章进一步总结了不同晶体结构压电材料在能量收集、传感、压电执行器及压电微机械超声换能器（pMUT）等领域的应用进展。最后，本文通过提出具有前瞻性的研究路线图，系统梳理新兴研究方向并分析亟待解决的关键技术挑战，为下一代高性能压电材料的发展提供指导。

文章简介

压电材料凭借独特的机电耦合特性，在能量收集、智能传感、精密驱动、微机电系统及生物医学等领域展现出重要应用价值。然而，不同晶体结构决定了材料截然不同的极化机制、压电响应及工艺兼容性，如何从晶体结构出发实现压电性能的精准调控，仍是高性能压电材料研究中的重要科学问题。

该综述以晶体结构—性能调控—器件应用为主线，系统梳理了钙钛矿、纤锌矿和萤石型三类典型压电材料的结构特征及压电机制，并从跨晶体结构的视角，对不同材料体系的性能优势与局限进行了系统比较。在此基础上，重点总结了元素掺杂、缺陷工程、异质结构薄膜、复合薄膜及缓冲层调控等性能优化策略，深入讨论晶格畸变、相界调控、畴壁运动、界面耦合、应变调控及电荷重构等机制对压电性能提升的作用。

文章进一步面向实际器件需求，系统总结了不同晶体结构压电材料在能量收集、传感、压电执行器以及压电微机械超声换能器等领域的研究进展，揭示了材料晶体结构、压电性能与具体应用场景之间的内在联系。

该综述突破了以往主要围绕单一材料体系或单一晶体结构展开总结的模式，通过建立不同晶体结构压电材料之间的横向比较，为高压电响应、高温稳定、柔性化、无铅化以及CMOS兼容压电材料的选择与设计提供了系统参考，并进一步展望了未来研究将通过多尺度协同设计与多机制耦合调控，推动压电材料从性能提升迈向按需功能定制。

图1. 不同晶体结构的压电材料。

图2 不同晶体结构的压电材料及其压电性能优化策略。

图3 压电材料的展望。

论文信息

Advances in piezoelectric materials with diverse crystal structures: from design to applications

Danni Yang^1,2,3†, Pengfan Wu^1,2,3†, Endian Cui^1,2,3†, Jiaqian Yang^1,2,3, Yihui Song^1,2,3, Chenxi Zhao^1,2,3, Yi Yang^1,2,3, Yu Fan^1,2,3, Hui Xiong^1,2,3*, Fayang Wang^4*, Xiaojing Mu^1,2,3*

期刊：Science China Materials

原文链接：https://doi.org/10.1007/s40843-025-4334-9

牟笑静，重庆大学光电工程学院副院长，教授，博士生导师，国家重点研发计划项目首席科学家，海外高层次人才引进计划国家特聘专家（青年），重庆市“仪器科学与技术”学科学术技术带头人，重庆市“百名海外高层次人才聚集计划”特聘专家，重庆市杰出青年科学基金获得者。现任重庆大学微纳系统及新材料国家级国际联合研究中心主任，新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室副主任，担任国家科技部重点研发计划多个专项和国家自然科学基金委项目会评专家。主要从事先进微纳声学器件、微纳能源、压电薄膜材料与器件、光学超材料等技术研究，取得了基础理论、材料制备、器件设计、工艺集成及器件应用的全链条研究成果。主持有国家重点研发计划项目/课题、国家自然科学基金航天联合基金重点项目、JKWGFKJ创新特区项目、国家自然科学基金面上/青年基金和装备预研教育部联合基金等国家级项目20余项。获得新加坡杰出工程成就奖、重庆市自然科学二等奖（排名第1）、中国仪器仪表学会科技进步二等奖（排名第1）2项、新加坡科技局航空项目成就奖（排名第1）、中国产学研合作奖2项（排名第1）和重庆市十佳科技青年奖等奖励多项。以通讯作者身份在Nat. Commun、Matter、 Adv. Mater、InfoMat、Adv. Sci等期刊上发表论文150余篇；已授权和发表专利60余项；参与编写蓝皮书2部；参与制定团体标准四项，另有两项国标正在参与制定中。现为全国专业标准化技术委员会全国医疗装备产业与应用标准化工作组委员、中国能源研究会电力传感和智能分析专业委员会委员、中国仪器仪表学会理事、中国仪器仪表学会微纳器件与系统技术分会理事、中国仪器仪表学会传感器分会理事、中国微米纳米技术学会微纳执行器与微系统分会理事、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、重庆市声学学会副理事长、多个行业头部企业和研究院工程中心主任以及Sensors International主编、Micromachines和压电与声光等期刊编委、Research青年编委。

王发扬，重庆理工大学讲师，硕士生导师。长期从事能量收集器器件设计、俘能材料制备及自供电传感系统开发等方面的基础与应用研究，掌握MEMS压电、摩擦及电磁等能量收集器研制相关的微纳加工与精密机加工工艺，并在智能电网、工业物联网及水下无人装备等领域开展了验证性应用。参与国家重点研发计划、国家自然科学基金航天联合基金、国家电网有限公司科技项目及国家自然科学基金面上项目等多项科研项目。以第一作者、通讯作者或共同第一作者在Matter、InfoMat、Advanced Science、Nano Energy、International Journal of Extreme Manufacturing和Chemical Engineering Journal等期刊发表论文15篇，其中影响因子大于10的论文8篇；授权发明专利6项。现担任Sensors International青年编委、MEMS微能源标准化专家组成员曾获中国仪器仪表学会科技进步二等奖。