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青岛大学秦亚琳/张永成、香港城市大学张树君等：透明铁电陶瓷，从多功能耦合走向光电集成

已有 231 次阅读 2026-8-24 10:10 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷) 期刊

Cite this article:

Wang Y, Li C, Liu J, et al. Transparent ferroelectric ceramics: From multifunctional coupling to optoelectronic integration. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221343

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221343

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/408408463_Transparent_ferroelectric_ceramics_From_multifunctional_coupling_to_optoelectronic_integration

基金支持：

国家自然科学基金（52272116、12132020）、山东省泰山学者计划（tstp20240511）和广西重点研发计划（2024AB09025）。

一、导读

在智能系统、可穿戴设备和集成光电子快速发展的背景下，功能材料既要具备压电、电光、储能等响应，还要能够让光高效通过。然而，多晶陶瓷中的孔隙、晶界和铁电畴会造成光散射，使透明性与功能性难以兼得。该综述以铅基PMN–PT和无铅KNN为主线，系统梳理透明铁电陶瓷的光损耗机制与晶粒、畴、相结构及缺陷调控策略，总结透明压电、电光、储能、发光和光致变色功能及其器件进展，并提出面向智能设计、织构工程、规模制造和光电集成的发展路线。

图1 透明铁电陶瓷的多场耦合性能及应用

二、研究背景

铁电陶瓷能够在电场、应力、温度和光场等外界刺激下产生可调响应，是电容器、红外探测器、超声换能器、微机电系统、谐振器、传感器和通信器件等领域的重要基础材料。随着现代电子与光电系统不断向小型化、集成化和智能化发展，仅具备单一电—机械转换功能的传统铁电陶瓷，已难以满足新一代器件对光、电、声、力和热等多物理场协同响应的需求。

光学透明性为铁电陶瓷打开了新的功能空间。材料一旦具备足够的透光能力，便有望将压电、电光、储能、发光和光致变色等功能集成到同一材料平台中，用于光声成像、透明致动、光通信、智能窗、光学传感和信息存储等场景。然而，多晶铁电陶瓷天然存在晶界、孔隙、铁电畴和微结构缺陷。这些结构会引起光的吸收、反射和散射。更重要的是，一些有利于铁电、压电性能的低对称相结构和高密度畴壁，往往又会增加光散射。因此，透明铁电陶瓷面临的核心矛盾并不是单纯“提高透过率”，而是：如何在降低光学损耗的同时，保留甚至增强铁电、压电、电光和储能等功能。

图2 影响铁电陶瓷透过率的主要因素及Rayleigh/Mie散射机制

围绕这一问题，青岛大学秦亚琳/张永成与香港城市大学张树君等在《Journal of Advanced Ceramics》发表综述文章。文章从铁电陶瓷透明性的影响因素出发，系统总结了晶粒和畴结构调控、折射率匹配、相结构工程、缺陷控制及先进烧结工艺，并进一步讨论这些策略如何影响材料的多功能耦合和器件集成。

三、文章亮点

（1）构建了“透明性机制–材料设计–功能调控–器件应用”的系统性分析框架，突出透明铁电陶瓷从基础机制、结构调控到应用转化之间的内在关联。

图3 综述整体框架

（2）以铅基 PMN–PT 和无铅 KNN 为两条代表性主线，同时讨论PLZT、BT和BNT等体系。PMN–PT具有突出的压电和电光性能，适合高灵敏换能和高速光调制；KNN具有无铅优势，并在透明储能、发光和光致变色等方向展现出较强的多功能拓展能力。。

（3）围绕透明压电、电光调制、介电储能、光致发光和光致变色五类功能方向，系统总结了结构设计、缺陷调控、相界工程和稀土掺杂等策略对光学透明性与功能性能的协同影响。

（4）面向光声成像、光通信、透明机器人/致动器、智能窗、光学传感、显示器件和三维光信息存储等应用场景，梳理了透明铁电陶瓷从材料性能优化到器件功能实现的转化路径。

（5）进一步提出透明铁电陶瓷未来的发展方向：从经验试错式组分优化走向机器学习与高通量材料设计，从随机取向多晶陶瓷走向织构化与取向调控，从单一功能性能展示走向多功能耦合与集成器件应用。

四、主要认识及结论

1. 文章指出，透明铁电陶瓷的透过率由材料本征吸收、表面/界面反射、晶粒与铁电畴结构散射等多种因素共同决定。因此，评价透明材料不能只比较一个透过率数字，还必须同时考虑：测试波长、样品厚度、测量的是直线透过率还是总透过率、材料致密度、晶粒、畴和孔隙的尺寸及分布等。针对这些光损耗来源，文章归纳了五类主要调控策略：先进烧结提高致密度、晶粒细化、畴结构工程、相结构与折射率调控，以及气氛退火和掺杂辅助的缺陷控制。

2. 在PMN–PT等铅基体系中，稀土掺杂、相界调控和畴结构工程是同时提升光学透明性与压电/电光性能的重要策略。代表性研究表明，Eu掺杂72PMN–28PT透明陶瓷在2500 nm、样品厚度0.4 mm时的透过率约为68%，压电系数d₃₃可达1400 pC N⁻¹；Sm掺杂72PMN–28PT陶瓷在2500 nm、厚度0.3 mm时的透过率约为69%，d₃₃可达1460 pC N⁻¹。在此基础上，进一步引入PIN等高居里温度组分，可在保持透明性和压电响应的同时改善热稳定性，为透明超声换能器和电光器件在更宽温区内工作提供材料基础。

图4 PMN–PT基透明压电陶瓷的性能调控策略

3. 在KNN等无铅体系中，晶粒细化、多晶型相界调节、带隙工程和缺陷控制是兼顾透明性与功能性能的关键。在透明储能方面，晶粒细化可以减少散射并提高击穿场强；带隙增大有助于降低光吸收和漏电流；纳米畴和极性纳米区则可使电滞回线变得更加细长，从而提高可恢复储能密度和效率。部分代表性KNN体系已在较高光学透过率下实现2–3 J cm⁻³的可恢复储能密度，显示出面向透明脉冲电容器和集成光电终端的潜力。在发光和光致变色方面，稀土离子不仅是发光中心，还会改变局域晶场、缺陷能级和铁电极化状态。通过构建不同深度的载流子陷阱，可以调节材料的着色速度、保持时间、擦除行为和发光强度，为智能窗、光学防伪和可重写信息存储提供新的材料方案。

图5 KNN基透明储能陶瓷的晶粒—带隙—畴结构协同调控

4. 文章梳理了透明铁电材料在多类器件中的应用进展。

在光声成像中，透明压电换能器允许激光直接穿过压电元件，实现光激发与声探测的同轴耦合，从而简化探头结构并提升成像信噪比。已有PMN–PT透明陶瓷换能器用于离体组织和小鼠耳部微血管成像，展示了透明陶瓷在生物医学成像中的应用潜力。

图6 PMN-PT和PIN-PMN-PT透明铁电陶瓷/单晶在透明压电超声换能器和光声成像中的应用

在光通信中，PMN–PT透明电光陶瓷可用于电光开关、调制器、滤波器和偏振控制器。代表性器件已展示出纳秒级响应和较低驱动电压，显示出其在高速光通信和自由空间光链路中的潜力。

图7 PMN-PT和PIN-PMN-PT透明铁电陶瓷/单晶在电光器件和光通讯中的应用

此外，该综述还系统介绍了透明铁电陶瓷材料在透明致动器和机器人、自适应透镜、透明扬声器、透明储能、温度传感、智能窗口及光学信息存储领域的研究进展。

图8 透明光致变色材料在智能窗和光学信息存储中的代表性应用，以及KNN基透明陶瓷的应用潜力

5. 综述认为，透明铁电陶瓷仍面临若干挑战：包括复杂组分体系的精准设计与高效筛选仍存在困难、陶瓷性能与单晶材料之间仍存在差距、高温稳定性不足、制备工艺的可重复性和规模化制造难度较高，以及多功能耦合器件仍缺少成熟设计方案。未来研究需要进一步结合机器学习、高通量筛选、织构化设计、3D打印、透明电极构筑和系统级集成策略，推动透明铁电陶瓷从材料性能演示走向实际可用的集成器件。

图9 透明铁电陶瓷未来研究方向

五、作者及研究团队简介

秦亚琳（通信作者），青岛大学青年卓越人才、硕士研究生导师，曾为美国宾夕法尼亚州立大学访问学者。主要从事透明压电陶瓷的制备、性能调控、器件设计及相关机制研究。以第一作者或通信作者在ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Materiomics等期刊发表SCI论文20余篇。主持国家自然科学基金青年科学基金、山东省自然科学基金面上项目等，获山东省自然科学二等奖。

邮箱：yalinqin@qdu.edu.cn

张永成（通信作者），青岛大学教授、博士生导师、物理科学学院副院长。长期从事透明铁电陶瓷的制备、性能调控与器件应用研究，已开展电光开关、电光调制器、超声/光声换能器等原型器件研发，并实现自由空间光通信以及医学仿体和活体超声/光声成像。以第一作者或通信作者在J. Am. Chem. Soc.、Nano Energy、Advanced Optical Materials和Applied Physics Letters等期刊发表SCI论文60余篇，授权国家发明专利4项，主持国家自然科学基金等项目10余项，获山东省自然科学二等奖等省部级教学科研奖励4项。

邮箱：qdzhyc@qdu.edu.cn

张树君（通信作者），香港城市大学化学系和材料系讲座教授、澳大利亚沃隆港大学杰出教授，长期从事介电、压电和铁电材料研究。已发表同行评审论文600余篇，包括发表于Science、Nature和Nature Materials的多篇代表性成果。自2021年起连续入选科睿唯安全球高被引科学家，现为世界陶瓷科学院院士、IEEE会士和美国陶瓷学会会士。

邮箱：s.j.zhang@cityu.edu.hk

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Feng X, Xu J, Zhang K, et al. High-sensitivity piezoelectric response enabled by heterogeneous stress–electric field distribution in 3D interconnected porous ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15(5): 9221280. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221280

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。