Текстурированные пьезоэлектрические керамики с уменьшенным размером зерен для приложений высокочастотных преобразователей

Более чёткий звук — более ясные изображения

Ультразвуковая диагностика — неотъемлемая часть современной медицины, позволяющая врачам в реальном времени заглядывать внутрь организма без операций и радиации. Чтобы выявлять всё более тонкие детали — крошечные кровеносные сосуды, опухоли на ранних стадиях или тонкие структуры глаза — приборы должны работать на всё более высоких частотах. Однако сердцем каждого зонда служит особая «умная» керамика, которая преобразует электричество в звук и обратно, и эти материалы часто теряют значительную часть своих свойств при изготовлении настолько тонкими, чтобы обеспечить очень высокие частоты. В этом исследовании показано, как целенаправленное уменьшение внутренней зеренной структуры ведущей пьезоэлектрической керамики позволяет сохранить её характеристики даже в ультратонких слоях, открывая путь к более чётким и компактным ультразвуковым приборам.

Почему важны внутренние «кирпичики»

Керамики, используемые в ультразвуковых зонда́х, обладают пьезоэлектрическими свойствами: при сжатии они генерируют электрический заряд, а при приложении напряжения меняют форму. Для высокочастотной визуализации — выше примерно 20 мегагерц — активный керамический слой преобразователя должен быть тоньше человеческого волоса. Обычные «текстурированные» керамики, сконструированные так, чтобы множество крошечных кристаллитов ориентировались в одном направлении, по характеристикам могут соперничать с дорогими монокристаллами, оставаясь при этом гораздо дешевле в производстве. Однако их зерна обычно довольно крупные — десятки микрометров. По мере того как керамику шлифуют до толщин, необходимых для высоких частот, повреждённые поверхностные слои и внутренние напряжения начинают занимать значительную часть каждого зерна, затрудняя переключение и поворот электрической поляризации в его внутренних областях. В результате существенно падает способность материала преобразовывать звук в электричество и обратно — явление, известное как эффект масштабирования по толщине.

Уменьшение и более точная выравненность зерен

Исследователи подошли к этой проблеме, переработав керамику «снизу вверх». Они сосредоточились на высокоэффективном материале PMN–PT, широко используемом в современных ультразвуковых устройствах. Чтобы контролировать рост и ориентацию зерен, в качестве шаблонов применили крошечные пластинчатые частицы титаната бария. Модифицированный «топохимический» процесс в расплаве соли при тщательно сниженных температуре и времени дал шаблоны длиной около 2,7 микрометра — менее половины обычного размера. При смешивании этих уменьшенных шаблонов с порошком PMN–PT и последующем формовании керамики получились текстурированные зерна в среднем около 7,8 микрометра — более чем на 50% мельче, чем в сопоставимых текстурированных материалах. И что важно, зерна при этом по-прежнему очень хорошо выровнены в предпочтительном направлении, придавая керамике характер, близкий к монокристаллому.

Высокие характеристики, сохраняющиеся при утонении

С уменьшенным размером зерен команда измерила, как ведут себя новые керамики при поэтапном уthinении от 500 микрометров до всего 75 микрометров. И новые мелкозернистые текстурированные керамики, и традиционные крупнозернистые образцы демонстрировали отличную пьезоэлектрическую реакцию в толстой форме — примерно в четыре раза выше, чем у аналогичных нетекстурированных керамик. Однако при уменьшении толщины их поведение разошлось. В традиционном материале ключевой пьезоэлектрический коэффициент и диэлектрическая проницаемость упали примерно на треть при наименьшей толщине, а потери энергии заметно возросли. В керамике с уменьшенным размером зерен эти параметры снизились всего на ~10–13%, а потери энергии остались низкими. Петли поляризации и микроскопические изображения показали, что во мелкозернистом материале внутренние области по-прежнему могли легко менять ориентацию несмотря на наличие поверхностных повреждений, тогда как более крупные зерна в обычной керамике легче «закреплялись» и частично деполяризовывались.

Взгляд внутрь микроскопических механизмов

Чтобы понять, почему меньшие зерна оказались столь полезны, авторы разнесли вклад объёмных частей зерен и границ зерен и исследовали подвижность крошечных поляризационных стенок. Электрические измерения показали, что сердцевины зерен проводили аналогично в обоих материалах, тогда как в мелкозернистой керамике границы зерен были более резистивными и стекловидными. Обычно увеличение площади границ ухудшает характеристики. Тем не менее подробный анализ по методу Релея и наноскалярная силовая микроскопия продемонстрировали, что доменные стенки — внутренние границы между областями с разной поляризацией — двигались свободнее в меньших зернах. Эта повышенная подвижность с лихвой компенсировала увеличенную площадь границ, позволяя керамике полностью поляризоваться при реалистичных полях даже после интенсивного утончения. Проще говоря, уменьшение внутренних структурных элементов создало сеть доменов, менее чувствительную к поверхностным дефектам и остаточным напряжениям.

К более чётким и компактным ультразвуковым приборам

Работа показывает, что путём инженерии микроскопической структуры зерен можно создать текстурированные пьезоэлектрические керамики, сохраняющие свойства, близкие к монокристаллическим, при толщинах, необходимых для очень высокочастотного ультразвука. Керамики PMN–PT с уменьшенным размером зерен поддерживают сильное электромеханическое сопряжение, большую деформацию и стабильное поведение при толщинах, подходящих для преобразователей выше 20 мегагерц. Поскольку стратегия использования шаблонов совместима с принятыми технологическими процессами керамики и может быть распространена на другие продвинутые пьезоэлектрические составы, она предлагает практический путь к компактным зонда́м, которые позволят видеть более тонкие детали глубже в теле, не жертвуя силой сигнала и надёжностью.

Цитирование: Xiao, Y., Yang, S., Wang, M. et al. Textured piezoelectric ceramics with reduced grain size for high-frequency transducer applications. Nat Commun 17, 3750 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70360-z

Ключевые слова: пьезоэлектрические керамики, ультразвуковые преобразователи, инжиниринг размера зерен, высокочастотная визуализация, текстурированные материалы