具有高儲能密度、高儲能效率及優秀熱穩定性的材料是寬溫域高儲能密度薄膜電容器的基礎，是近年來學術界和產業界研究的熱點。電容器的儲能密度與介電常數、擊穿場強的平方成正比。然而，在單一材料中，決定電容器儲能特性的擊穿場強和介電常數成反比，也就是說很難在單一材料中實現高儲能特性。
針對這一問題，我們利用生長溫度調控薄膜的形核速率和生長速率，在0.85BaTiO3-0.15Bi(Mg0.5Zr0.5)O3（BT-BMZ）外延薄膜中實現了塊狀亞晶、纖維狀亞晶和柱狀亞晶三種亞晶結構，研究發現柱狀亞晶結構的面外傾轉能夠有效地延遲極化飽和，弱化電疇的協同耦合，細化電滯回線，降低能量損耗。同時，亞晶粒的面內旋轉能夠阻礙電子的傳輸，提高薄膜的擊穿場強。二者的協同作用使得BT-BMZ單層薄膜在-100~200oC的寬溫域內的儲能密度高達61.78 J/cm3，且儲能效率在這一工作溫區一直保持在74%以上。亞晶調控是基于晶體形核和生長速率之間的競爭實現的，方法簡單易控，具有很強的普適性。該方法為優化單一材料的儲能特性提供了一個全新的思路。?
上述研究成果以《通過亞晶修飾在無鉛介電薄膜中同時實現高儲能密度和高儲能效率》(Realizing High Energy Density and Efficiency Simultaneously via Sub-Grain Modification in Lead-free Dielectric Film) 為題發表在《Nano Energy》上，該工作是材料學院博士生胡天翼在馬春蕊教授指導下完成的。感謝微電子學院劉明教授在性能表征、樣品制備方面的支持，感謝微電子學院的賈春林教授、馬傳生工程師在微觀結構表征方面的支持。材料學院馬春蕊教授為該文章的通訊作者。西安交通大學金屬強度國家重點實驗室為該論文的第一作者和通訊作者單位。該研究得到國家自然科學基金、國家“973”項目等項目的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107313
研究團隊主頁鏈接：
https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/chunrui.ma
原文始發于微信公眾號（西安交通大學材料學院）：科研動態 | 我院科研人員在無鉛介電儲能薄膜電容器領域取得重要進展
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