我院研究生杨汶陶在国际学术期刊《ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS》上发表题名为“A Flexible Poling-Free Piezoelectric Energy Harvester Based on Gradient Ti-Doped BiFeO₃ Films”的学术论文。

针对传统压电器件在高压极化过程中易发生介电击穿及性能退化的问题，本研究在柔性云母基底上构建了梯度Ti掺杂BiFe_0.95−xMn_0.05Ti_xO_3−δ（BFMTO）多层结构薄膜。通过调控Ti离子的空间分布诱导氧空位沿厚度方向梯度分布，协同缺陷偶极子与应变梯度构建稳定内建电场，从而实现薄膜无需外加极化处理的自极化行为。结构表征表明，所有样品均形成结晶良好的单一钙钛矿相，薄膜具备致密均匀的微观结构、优异的柔韧性及较高的透光率。铁电性能测试显示，下梯度薄膜表现出明显的回线偏移和初始极化状态，其初始极化值达到−15.7 μC cm⁻²，内建偏置电场高达167.2 kV cm⁻¹。结合XPS、EPR和PFM分析结果发现，Ti掺杂有效抑制了氧空位和Fe²⁺的生成，从而降低漏电流并提高极化稳定性。同时，缺陷偶极子倾向于沿自发极化方向有序排列，其恢复力可稳定铁电畴取向，促进极化重构。此外，梯度Ti掺杂及其引起的非均匀分布的氧空位，在薄膜厚度方向引入显著的应变梯度，进一步增强了原有的内建偏置电场。在缺陷偶极子与应变梯度的协同作用下，BFO基薄膜实现了自极化。基于该薄膜构建的柔性压电能量收集器无需外加极化，即可实现与传统极化器件相媲美的优异性能：其开路电压为7 V，输出功率达2.26 μW，灵敏度为5.92 V N^-1，并在8,000次循环后依旧保持稳定的输出特性。该器件不仅具备驱动电子手表的能力，还能有效监测握拳、手臂弯曲及步态等多种人体运动行为，彰显其在自供能传感、柔性电子及可穿戴系统等重要领域的广阔应用潜力。

图1 (a) BFMO薄膜、上梯度薄膜和下梯度薄膜的结构示意图；(b) 云母衬底与不同薄膜样品的XRD图谱；(c) 下梯度薄膜在弯曲状态下的实物照片；(d) 封装后的压电能量收集器贴附于弯曲玻璃管表面的照片；(e) 不同样品的光学透过率谱；(f) 对应样品的实物透光照片；(g) 下梯度薄膜的截面FESEM图像及表面形貌（见插图）；(h) 下梯度薄膜中Bi、Fe、Mn、Ti元素的EDS面分布图

图2(a) BFMO薄膜、上梯度薄膜及下梯度薄膜的P–E电滞回线；(b) 各样品的漏电流密度曲线；(c) 各样品在815 kV cm^-1电场下的P–E电滞回线；(d) 下梯度薄膜的初始P–E电滞回线及其在不同电场作用下的极化翻转行为；(e) 不同样品的内建偏置电场（E_bias）对比。

通过构建稳定内建电场驱动铁电畴自发定向排列，不仅能极大简化和优化制备工艺、降低成本，还能避免极化过程带来的性能衰减，同时为铁电材料的极化调控及新型压电器件的设计提供更高的自由度。

山东理工大学材料科学与工程学院为本文第一署名单位，张明伟教授和吕盼盼老师为本文的共同通讯作者。