近日，南昌大学“晶益求精”本科生团队在陈晓刚教授指导下，完成了分子基铁电晶片关键技术攻关，在材料性能优化方面取得新突破。团队基于“铁电化学”先进理论，成功研发出压电系数高达1540pC/N的分子固溶体铁电晶片，并开发出室温水溶液生长与数字化智能切割一体化工艺。目前该系列核心技术已申请发明专利9项，团队在国内外权威学术平台累计发表高水平论文43篇。

破解传统压电材料三大痛点

目前，全球主流医用超声探头仍广泛采用锆钛酸铅（PZT）等传统无机压电陶瓷作为核心换能材料。这类材料含铅量高达60%，常规工艺需经1000℃以上高温烧结，不仅能耗居高不下，还会产生严重重金属污染。此外，其声阻抗高达30MRay1，与人体组织严重失配，导致B超成像模糊且必须依赖耦合剂。更严峻的是，高端医用压电材料进口依赖度高达72%，相关产业长期面临“卡脖子”困境。

图1 分子固溶体铁电晶体实物 图2 晶片加工成品

瞄准超声诊断核心材料长期依赖进口的行业困境，南昌大学“晶益求精”团队在陈晓刚老师带领下，围绕分子基铁电材料开展了系统性研发，力求兼顾高压电性、低声阻抗与绿色制造，为国产高端B超探头打造拥有完全自主知识产权的核心技术方案。

团队依托“铁电化学”精准分子设计思路，通过分子化学修饰、氢氟取代、手性基团引入等调控手段，成功制备出10余种全新无铅分子基压电材料，搭建起具备完整自主知识产权的无铅压电材料资源库。在此基础上，团队创新性地将准同型相界理论引入分子晶体体系，设计合成（TMFM）X(TMCM)1-X-CdCl3分子固溶体，激发出产品惊人的压电活性。

多项性能指标的突破与验证

团队针对分子固溶体铁电晶片的主要性能参数进行了系统性的检测与分析。经压电力显微镜等专业设备多次测试验证，该分子固溶体材料的压电系数d33高达1540pC/N。这一数值不仅远超国际标准，更是传统PZT压电陶瓷的2-3倍，刷新分子基铁电材料压电性能全球最高纪录。

同时，与多家三甲医院合作反馈报告表明，该材料的声阻抗稳定处于3-10MRayl区间，与人体组织高度匹配。这意味着B超探头有望彻底告别化学耦合剂，消除交叉感染风险，实现“无感、无菌、超高清”的临床体验。

此外，团队通过H/F取代策略，将材料的居里温度从240K提升至303K，在不改变晶体主体结构的前提下显著拓展了材料的工作温度范围。

图3 分子固溶体压电性能测试与晶体结构解析

绿色制造工艺的革命性突破

传统压电陶瓷的制备依赖1000℃以上高温固相反应，生产周期长达数周，能耗巨大且良品率低下。团队利用室温水溶液生长技术，在25℃常温常压下即可培育出体积大于8cm3的高纯度分子基铁电晶体，成功将生长周期缩短至7～10天，生产能耗较传统工艺降低80%以上。

在精密加工环节，团队创新采用“复合金刚石线切割+冷切割”技术，通过单晶衍射辅助定位和液状石蜡降温保护，实现了0.2mm超薄晶片的稳定加工，切割效率达400片/小时，产品良品率稳定在96%以上。更突出的是，生产过程中的残次品、切割废料乃至报废旧晶片，均可通过重溶再生长工艺实现近100%的回收利用，真正实现了绿色循环制造。

初步的应用验证与产业化进展

为评估产品在医用超声领域的应用潜力，团队携带LJ-100分子基晶片走访了全国多家三甲医院和医疗器械龙头企业，开展了系统的临床试用验证。在2000余组对标测试中，搭载LJ-100晶片的B超探头图像分辨率提升70%，深部组织穿透力提升46.7%，直径小于2mm的微小病灶检出率从82%提高至95%。

目前，团队已与多家医疗器械企业及三甲医院达成合作，并累计获得超过8000片的采购意向。基于成熟的技术积累和明确的市场前景，团队正式成立了“江西霖晶压电新材料有限公司”，已完成工商注册，注册资本100万元，已建成2条中试生产线，产能可达百万片/年。

图4 使用搭载LJ-100晶片B超探头的体模成像图

本科生团队的科研攻关

该项目由南昌大学化学化工学院本科生姜凯文发起并统筹，成员廖志霖、于思淇、姚竣瑜、吴俏、吴健、雷艺、曾佑平、耿艺卓和姜坤等同学各司其职，团队涵盖应用化学、医学影像学、会计学及数据科学与大数据技术等多学科背景。

项目得到了陈晓刚教授、熊仁根院士、游雨蒙教授等专家的悉心指导，团队成员利用课余及寒暑假时间，在南昌大学国际有序物质科学研究院顺利完成了涵盖分子设计、晶体生长及产业化验证各阶段的科研攻关。团队已申请发明专利9项，以第一作者发表SCI论文43篇，相关成果被多家权威媒体专题报道，并荣获第十八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛全国铜奖及江西省亚军、“创客中国”江西省中小企业创新创业大赛第一名等多项荣誉。

图5 团队调研压电材料市场 图6 团队成员调试B超设备

这一成果既为医用压电材料国产替代提供了技术支撑，也体现了南昌大学将本科创新实践与产业需求对接、推动科研成果向应用转化的有效实践。团队负责人姜凯文表示，后续将继续推进产品的医疗器械注册认证工作，并探索该材料在高端医疗、柔性可穿戴设备等领域应用的可能性。

供稿：高地、曾雅湉、姜凯文