西安交通大学，Science！

米测MeLab

2025-07-10

编辑总结

许多小型电机设备，如手机中的扬声器、风扇和相机马达，以及大型设备如医疗超声成像仪，依赖于压电材料，这些材料在施加电场时能够改变形状。本文回顾了这些材料的发展，并讨论了进一步改进的方向。我们不仅需要具有更大压电系数和电机械耦合因子的材料，还需要具有更高的介电常数、介电损耗、矫顽场和机械损耗等参数的材料。——Phil Szuromi

背景介绍

铁电材料以其卓越的功能特性而广受认可，特别是压电性，使其能够高效地将电能转化为机械能，反之亦然。这一特性使得铁电材料在许多现代技术中占据了重要地位。在过去100年中，开发了多种具有优异压电性能的铁电材料，包括钛酸铅锆陶瓷、无铅陶瓷、掺镧铝氮化物薄膜、基于聚偏二氟乙烯的铁电高分子以及放松铁电晶体。这些创新拓宽了铁电应用的范围，并提供了更大的设备设计灵活性，显著促进了众多压电设备的应用。

研究展望

新型高性能铁电材料已经问世，例如压电系数超过2000 pC N⁻¹的铁电陶瓷（比现有材料高出4到10倍），以及同时具有高压电性和高光透明度的铁电晶体。这些材料在消费类电子和健康护理电子领域具有巨大潜力，在下一代集成电路芯片冷却设备、适应性变焦系统、可穿戴、可植入和自供电的医疗诊断设备等方面发挥着关键作用。

展望未来，研究越来越关注开发无铅或可生物降解的铁电材料，以解决环境问题。与此同时，低温烧结、气溶胶沉积和仿生方法等环保制造技术正在被探索，以减少能源消耗和碳排放，从而与全球可持续发展和碳中和目标相一致。此外，纹理化的铁电陶瓷作为晶体材料的有力替代品，提供了良好的压电性能，并且具备陶瓷的强大机械强度，同时减少了整体成本。

在新材料的寻找过程中，计算方法的进步，如第一性原理计算和相场模拟，以及材料表征技术的发展，如原位高分辨率原子级成像，正在使材料行为和性能的预测更为精确。这些进展无疑加速了高性能铁电材料的发展。

目前使用和新兴的压电设备在3C（计算机、通信和消费电子）领域中的应用。以智能手机为例，作为典型的消费电子产品，展示了压电应用的多样性。MEMS（微电机械系统）技术在其中得到了广泛应用。

摘要

铁电材料广泛应用于各种机电设备，从超声换能器和执行器到机械能量采集器。这些设备的关键性能指标，如超声换能器的灵敏度、效率和带宽，主要由压电特性决定。

鉴于此，西安交通大学李飞教授团队在Science期刊上发表了题为“Ferroelectric materials toward next-generation electromechanical technologies”的最新综述论文。本综述重点介绍了近年来在改善铁电材料压电性方面的研究进展，并提供了进一步提高压电性的潜在策略，以满足对高性能压电设备和系统日益增长的需求。

文章还对未来铁电材料的发展进行了展望，以应对包括光声成像、压电风扇和集成电路驱动的电子设备中的压电马达等新兴应用的需求。此外，文中强调了在铁电材料整个生命周期中考虑环境影响的重要性，从原材料的采购和制造到使用和处置阶段。

综述亮点

（1）综述首次回顾了铁电材料在多种机电设备中的应用，特别是在超声换能器和执行器等领域，展示了其在高效能转换中的重要作用。

（2）综述强调了提升铁电材料压电性的重要性，提出了通过设计相边界、优化结构异质性等策略来实现更高的压电性，并取得了突破性进展，例如稀土掺杂放松铁电晶体的压电性达到前所未有的水平。

（3）综述介绍了几种新型高性能铁电材料，尤其是压电系数超过2000 pC N⁻¹的铁电陶瓷和同时具有高压电性及高光透明度的铁电晶体，这些材料在消费类电子和医疗健康设备中具有巨大的应用潜力。

（4）综述提出未来的研究方向，包括开发无铅或可生物降解的铁电材料，以解决环境问题，并探讨低温烧结等环保制造技术的应用，以降低能耗和碳排放。     

 （5）综述还指出，随着计算方法和材料表征技术的进步，能够更精确地预测铁电材料的行为和性能，这为高性能铁电材料的发展提供了更有力的支持。

图文解读

图 1.由铁电材料制成的代表性机电器件

图 2.压电响应及其与钙钛矿铁电晶体自由能分布的关系

图 3.通过域工程提高铁电晶体的压电系数

图 4.通过局部结构异质性增强铁电晶体的压电性能

图 5.外延应变应力诱导压电性能增强

总结展望

材料的性能提升不仅依赖于传统的材料优化手段，还需要结合先进的纳米结构设计和自由能调控方法。通过引入形态变换相边界和纳米尺度的结构异质性，能够显著增强压电性能，突破了以往单纯依靠材料组成调整的局限。这一新思路为其他功能材料的设计提供了借鉴，尤其是在对高性能材料的需求日益增加的背景下。

其次，环境友好的材料研发逐渐成为学术界的主流趋势。通过无铅、可降解材料的探索及低温烧结、仿生等制造技术的应用，不仅可以减少资源消耗，还能有效降低碳排放，推动绿色科技的发展。这一方向的突破，意味着未来铁电材料的应用不仅会在性能上迎来质的飞跃，也将在环保和可持续性方面走在科技前沿。

总体而言，铁电材料的创新发展方向为其他领域的材料设计和制造提供了启示，尤其是在追求高效能、低功耗、环境友好型技术的今天，这些新思路和方法的推广具有重要的现实意义和长远影响。

原文详情：

Fei Li et al. ,Ferroelectric materials toward next-generation electromechanical technologies.Science389,eadn4926(2025).

DOI:10.1126/science.adn4926