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

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Dong G, Zhang B, Zhang Y, et al. Fe-doped BNKBT lead-free piezoceramics with enhanced electromechanical performance for 10 MHz ultrasonic imaging. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221372 

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221372

ResearchGate：Fe-doped BNKBT lead-free piezoceramics with enhanced electromechanical performance for 10 MHz ultrasonic imaging

基金支持：本研究得到陕西省重点研发计划（2025GH-YBXM-047）、陕西省科技创新引领计划（2025QCY-KXJ-002）、国家自然科学基金（52402154、62474129）、中央高校基本科研业务费专项资金（QTZX26014、ZYTS23087）等资助。

一、导读

高性能超声换能器长期依赖含铅压电材料，无铅体系仍面临机电耦合不足和器件灵敏度受限的问题。西安电子科技大学董广志团队通过B位Fe³⁺受主掺杂调控BNKBT陶瓷，在相结构演变与缺陷钉扎之间获得有利平衡。优化组分d₃₃达180 pC/N、k_t达0.42，10 MHz平面换能器|IL|降至16 dB；聚焦后实现182/264 μm轴向/横向分辨率，并完成猪眼B-mode及纪念币C-mode成像。

二、研究背景

超声成像具有实时、无创和安全等优势，广泛用于眼科、心脏、肝脏等组织检查。作为超声换能器中实现电能—机械能—声能双向转换的核心功能单元，压电材料的介电、压电及机电耦合性能直接决定器件的灵敏度、带宽和成像质量。目前，高性能换能器仍主要依赖PZT及相关铅基压电材料，但铅元素带来的环境与健康风险推动了无铅压电材料和绿色超声器件的发展。Bi_0.5Na_0.5TiO₃（BNT）基陶瓷具有较低介电常数和声阻抗，是无铅超声换能器的重要候选体系，但纯BNT存在矫顽场高、压电响应较低等问题。团队前期通过BKT和BT多组元固溶，在BNT基体系中构建接近准同型相界（MPB）的0.84BNT-0.133BKT-0.027BT（BNKBT）组分，并制备了10 MHz无铅超声换能器。进一步提升其机电耦合能力，并证明材料端的性能提升能够真正转化为器件端的灵敏度和成像优势，是本研究关注的核心问题。为此，研究团队选择Fe³⁺作为B位受主掺杂离子，构建(Bi_0.487Na_0.42K_0.067Ba_0.027)(Ti_1-xFe_x)O₃ [BNKBT-Fe(x)]体系，系统考察Fe含量对相结构、局域畴响应、铁电/应变行为以及压电和机电耦合性能的影响，并进一步将最优陶瓷制备成10 MHz超声换能器进行器件及成像验证。

三、文章亮点

（1）提出B位Fe³⁺受主掺杂调控BNKBT无铅压电陶瓷的策略。适量Fe掺杂在R3c/P4bm相结构调整与氧空位相关缺陷钉扎之间形成有利平衡，使x = 0.01组分获得d₃₃ = 180 pC/N、k_t = 0.42和k_t/k_p = 3.22的较优综合机电性能。

（2）通过“同结构、同匹配条件”的平面换能器对比，直接建立材料性能与器件性能的联系。Fe改性后换能器|IL|由23 dB降低至16 dB，同时保持约54%的−6 dB带宽，表明材料机电性能提升能够有效转化为更高的超声换能灵敏度。

（3）在材料优势已经明确的基础上，再引入声学透镜进行器件级聚焦优化。聚焦换能器中心频率为10.72 MHz，Vpp达到2168 mV，轴向和横向分辨率分别为182和264 μm，并实现猪眼前节B-mode和纪念币表面C-mode成像，形成“材料调控—器件构筑—实际成像”的完整验证链条。

四、研究结果及结论

1、结构与局域极化行为。XRD及Rietveld精修结果表明（图1），Fe³⁺掺杂后BNKBT陶瓷均保持纯钙钛矿结构，未出现明显杂相，且可由R3c/P4bm两相共存模型较好描述。随着Fe含量增加，体系整体呈现由R3c占优向P4bm占优演变的趋势。PFM结果进一步表明（图2），适量Fe掺杂能够明显改善局域畴构型及极化翻转响应，其中BNKBT-Fe(0.01)具有更加清晰的畴结构和稳定的极化翻转区域，局域相位翻转角达到约171°，最大振幅达到387 pm。

图1 BNKBT-Fe(x)陶瓷XRD图谱。

图2 x=0、x=0.01和x=0.02陶瓷组分的PFM图谱。

2、铁电、压电及机电耦合性能。随着Fe掺杂量增加，BNKBT陶瓷的铁电与机电响应呈现明显变化。当x=0.01时，样品表现出较为饱和的P-E回线，剩余极化强度P_r和最大极化强度P_max分别达到33和42 μC/cm²；同时，d₃₃提升至最大值180 pC/N。厚度机电耦合系数k_t提高至0.42，而径向耦合系数k_p变化相对较小，使k_t/k_p在x = 0.01时达到最大值3.22，表明该组分具有更加突出的厚度振动耦合特征（图3）。

图3 BNKBT-Fe(x)陶瓷的铁电、压电及机电耦合性能。

3、10 MHz超声换能器性能。基于综合性能最优的BNKBT-Fe(0.01)陶瓷，进一步设计并制备了10 MHz超声换能器（图4）。平面换能器实测中心频率约为10.7 MHz，-6 dB带宽达到54%，与PiezoCAD模拟结果基本一致。更重要的是，在采用相同电匹配、声匹配及器件结构的条件下，与未掺杂BNKBT-Fe(0)换能器相比，BNKBT-Fe(0.01)换能器的插入损耗|IL|由23 dB降低至16 dB，直接证明了Fe掺杂带来的机电性能提升可以有效转化为器件换能灵敏度和能量转换效率的改善。进一步引入环氧树脂声学透镜后，聚焦换能器的中心频率达到10.72 MHz，峰峰值回波电压V_pp达到2168 mV，显示出较强的脉冲回波响应（图5）。

图4 BNKBT-Fe(0.01)超声换能器以及性能表征成像系统。

图5 BNKBT-Fe(0.01)陶瓷基10 MHz超声换能器的设计及脉冲回波性能。

4、空间分辨率与超声成像验证。采用钨丝靶进一步评价换能器的空间分辨能力（图6）。平面换能器的轴向和横向分辨率分别为146和2834 μm；引入声学聚焦后，轴向分辨率为182 μm，横向分辨率显著提升至264 μm，表明声学透镜能够有效压缩横向声束宽度。在实际成像测试中，BNKBT-Fe(0.01)换能器能够清晰分辨猪眼前节中的角膜、前房、虹膜及睫状体和晶状体等典型结构，同时在纪念币C-mode扫描中能够较好呈现“YES”“NO”字符及周围浮雕边界（图7）。上述结果表明，该无铅压电陶瓷能够实现从材料机电性能优化到高频超声换能和实际成像应用的有效贯通，展现出在环境友好型高频医学超声及精细无损检测领域的应用潜力。

图6 BNKBT-Fe(0.01)超声换能器的空间分辨率测试结果。

图7 BNKBT-Fe(0.01)超声换能器的猪眼、纪念币成像结果。

五、作者及研究团队简介

董广志，西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院副教授、博士生导师，兼任陕西省电子学会秘书长。博士毕业于西北工业大学，博士后于澳大利亚伍伦贡大学公派访学。主要从事压电/铁电/闪烁/荧光等功能材料及器件研究。

个人主页：https://faculty.xidian.edu.cn/DongGuangzhi.htm

作者邮箱：gzdong@xidian.edu.cn

作者ORCID：0000-0002-2627-8567

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

1）Dong G, Su H, Bai R, et al. Photoluminescence and optical temperature sensing properties of Gd₃Al₃Ga₂O₁₂:Pr³⁺ garnet transparent ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(9): 9221141. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221141

《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，清华大学出版社有限公司出版，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、WJCI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SCI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；2026年2月发布的WJCI影响因子为15.350，位列“陶瓷学”26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有限公司自主研发、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。

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