鐵電材料是一種典型的多功能材料，基于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電體的電介質(zhì)材料具有多種應(yīng)用，比如電容器，驅(qū)動器，傳感器，換能器等等。其中，利用其高介電常數(shù)和高極化能力制成的多層陶瓷電容器（MLCC）具有超高的功率密度，在現(xiàn)代脈沖功率系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用前景。但是，由于電介質(zhì)材料中存在極化和應(yīng)變之間的耦合關(guān)系，即在電場作用下能貢獻極化響應(yīng)的機制，同樣能貢獻于顯著的應(yīng)變響應(yīng)，比如電場作用下的疇壁移動和電疇翻轉(zhuǎn)，電場驅(qū)動的反鐵電-鐵電（AFE-FE）相變，電場誘導的弛豫-鐵電轉(zhuǎn)變，以及簡單的離子位移響應(yīng)等等。對于MLCC器件而言，介電常數(shù)和極化能力是必須的，而由于極化-應(yīng)變耦合帶來電致應(yīng)變反而是有害的，在交變電場下，MLCC的周期性震動會產(chǎn)生“singing capacitors”現(xiàn)象，并由于機械疲勞導致潛在的焊腳松動，器件內(nèi)部微裂紋擴展，存在器件性能衰退和失效的風險。這種應(yīng)變問題不僅限制了電容器的使用壽命，還可能影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，如何有效減少MLCCs中的應(yīng)變，成為當前研究領(lǐng)域亟待解決的問題。

針對以上難題，近日，西安交通大學電信學部靳立教授團隊、聯(lián)合合作團隊創(chuàng)新地提出一種先進的“Weak Polarization-Strain Coupling”策略，用于降低弛豫鐵電（RFE）基電介質(zhì)材料中的電致應(yīng)變并實現(xiàn)高儲能性能、穩(wěn)定性和循環(huán)壽命，以“Ultra-Weak Polarization-Strain Coupling Effect Boosts Capacitive Energy Storage”為題，發(fā)表于《Advanced Materials》期刊。

RFE材料由于超高的極化響應(yīng)和超低的極化滯回而被廣泛應(yīng)用介電儲能領(lǐng)域，其電致應(yīng)變響應(yīng)主要由電致伸縮效應(yīng)主導，電致伸縮系數(shù)（Q33）反應(yīng)了RFE材料中極化-應(yīng)變耦合的強度。如果能顯著降低RFE中極化-應(yīng)變的耦合關(guān)系，即獲得超低的Q33，便能顯著降低電致伸縮應(yīng)變及其對MLCC器件的不利影響。團隊基于前期總結(jié)，認識到“相比于晶體中有序的離子排布，通常無序的離子排布會導致更低的電致伸縮效應(yīng)”。基于此，團隊在(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xPb(Mg1/3Nb2/3)O3成功驗證了“Weak Polarization-Strain Coupling”策略，其中，0.55BNT-45PMN組分具有最低的Q33，約為0.012m4C?2，該組分制備的MLCC在720 kV cm?1電場下獲得了14.6 J cm?3和93%的優(yōu)異儲能性能，器件原型在330 kV cm?1的電場下應(yīng)變響應(yīng)僅有~0.118%。通過先進的微觀結(jié)構(gòu)表征分析，BNT-PMN體系在A位和B位同時具有多種不同價態(tài)、不同半徑的離子無序排布，既能導致強烈波動的局域電場促進無滯回、大極化響應(yīng)，也能誘導出強烈的非協(xié)同局域晶格畸變導致平均晶胞體積的增大，因此，在電場作用下，產(chǎn)生強烈的離子位移極化的同時而不至于引起劇烈的晶格拉伸，這導致獲得超高的可誘導極化響應(yīng)和較小的電致應(yīng)變響應(yīng)。

該論文以深入的實驗和理論研究為基礎(chǔ)，探討了超弱極化-應(yīng)變耦合效應(yīng)在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料中的表現(xiàn)。作者通過系統(tǒng)的實驗驗證與數(shù)值模擬，揭示了這種耦合效應(yīng)對材料宏觀性能的影響，為理解鈣鈦礦材料中的電致應(yīng)變行為提供了新的視角。特別是在MLCC材料領(lǐng)域，這一發(fā)現(xiàn)可能為開發(fā)新型高性能儲能器件奠定了新的理論基礎(chǔ)，并有望推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。

西安交通大學靳立教授、西北工業(yè)大學高峰教授和哈爾濱工業(yè)大學王大偉教授為該論文的通訊作者。西安交通大學電子學院青年教師張雷陽博士為該論文的第一作者。其他參與該研究工作的學者包括香港理工大學陳子斌助理教授、天津師范大學的劉士余副教授、澳大利亞臥龍崗大學張樹君教授等。該研究工作得到了國家自然科學基金、陜西省重點研發(fā)國際合作項目等項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202406219

靳立教授主頁：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/ljin

來源：西安交通大學網(wǎng)站，原文鏈接：https://eie.xjtu.edu.cn/info/1042/10079.htm

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