空气等离子体表面改性增强钛酸钡陶瓷的挠曲电效应及其机理研究

为解决挠曲电效应耦合系数低的问题，研究人员通过介质阻挡放电(DBD)等离子体表面改性技术调控钛酸钡(BaTiO3)界面羟基含量，发现2分钟处理可使材料高温介电常数提升23%，室温挠曲电系数提升480%，为高性能电子器件开发提供了新策略。

　　

在智能传感和机电转换领域，挠曲电效应（flexoelectricity）作为一种新型机电耦合现象备受关注。与压电效应不同，挠曲电效应能在非极性晶体中通过应变梯度产生电信号，但其耦合系数普遍较低——例如纯钛酸钡（BaTiO₃，BTO）的室温挠曲电系数仅为6-10 μC/m，远低于其压电系数（70 pC/N）。这种性能差距严重制约了该效应的实际应用。传统方法如化学掺杂虽能提升性能，但会改变材料整体特性。因此，如何通过界面调控实现性能突破成为关键科学问题。

针对这一挑战，Amei Zhang团队在《Scripta Materialia》发表的研究中，创新性地采用介质阻挡放电（DBD）等离子体技术对BTO陶瓷进行表面改性。该技术能在常温常压下通过空气等离子体在材料表面引入羟基，从而定向调控界面极化能力。研究人员通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等多维表征手段，结合三点弯曲实验和介电性能测试，系统揭示了表面羟基含量与材料性能的构效关系。

表面形貌与结构分析

扫描电镜显示等离子处理使BTO表面从光滑等轴晶转变为颗粒状重熔结构，2分钟处理样品呈现最佳粗糙度。XRD证实处理未改变晶体结构，但拉曼光谱发现1-2分钟处理会减弱A₁(TO₂)模式，表明缺陷减少；而3-5分钟处理则因氧等离子体填充空位使结晶度回升。

表面化学状态演变

XPS定量分析显示羟基含量在2分钟处理时达到峰值49%，较未处理样品翻倍。FTIR在3400 cm^-1处的特征峰强度变化佐证了这一趋势。值得注意的是，Ti³⁺含量随处理时间线性增长至52%，但氧空位维持在3.5-4%，表明过量处理（>3分钟）时氧等离子体会优先填充空位而非产生新缺陷。

性能提升机制

介电测试表明2分钟处理样品在相变温度（126°C）下介电常数提升23.3%。挠曲电系数更出现480%的惊人增长。研究提出羟基形成的偶极子在应变梯度场中定向偏转是性能提升的关键：当BTO晶格发生非均匀变形时，Ti原子与氧原子等效电荷中心分离产生挠曲电场，引导羟基偶极子排列从而放大电信号。

热力学验证实验

800°C退火实验证实热效应会导致羟基含量从40.8%降至25.7%，直接验证了羟基含量与性能的正相关性。三点弯曲实验则排除了机械性能变化的主导影响——尽管5分钟处理使动态杨氏模量降低6%，但其性能增幅远低于2分钟处理样品。

该研究开创性地证明等离子体表面修饰可通过精准调控羟基含量来增强材料挠曲电效应，且2分钟为最佳处理时长。这一发现不仅为高性能电子陶瓷设计提供了新思路，其室温常压处理的工艺特点更具备工业化应用潜力。未来通过优化等离子体参数和界面工程，有望进一步突破挠曲电材料的性能瓶颈，推动微型传感器和能量转换器件的创新发展。