高熵鐵電體因其靈活的化學設計、新穎的局域結(jié)構(gòu)特征、優(yōu)異的綜合電學性能而使其成為近年的研究熱點。海南大學材料科學與工程學院祁核團隊基于2023年在《Nature Reviews Materials》發(fā)表的“High-entropy ferroelectric materials”的評論論文后，近期將高熵策略引入到高溫壓電陶瓷設計領(lǐng)域，成功實現(xiàn)壓電性能、絕緣性能和溫度穩(wěn)定性等電學性能的協(xié)同提升，為解決居里溫度與壓電性能難以兼顧的問題提供了途徑，在《Advanced Materials》發(fā)表了題為“High-entropy High-temperature High-piezoelectricity Ceramics”的研究論文。海南大學材料科學與工程學院吳捷副研究員為第一作者，祁核教授、陳駿教授為論文共同通訊作者。

研究團隊在CaBi2Nb2O9基體中引入Na?、Ti??、Ta??等異質(zhì)原子設計出新型高熵高溫壓電陶瓷材料，其居里溫度保持在900℃以上的同時，壓電系數(shù)d33提升至30 pC/N以上，同時伴隨著良好的溫度穩(wěn)定性以及在750 ℃高溫下高電阻率仍大于1.0×10? Ω·cm，其綜合電學性能優(yōu)于已報道的鉍層狀結(jié)構(gòu)高溫壓電陶瓷材料。同步輻射X射線衍射、原子對分布函數(shù)、球差矯正透射電子顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)，在CaBi2Nb2O9中引入高熵策略后，其保持長程正交相結(jié)構(gòu)的同時，高熵效應導致其中部分鉍氧層被擠出，誘導其層狀結(jié)構(gòu)中形成高密度二維非晶態(tài)缺陷。這些納米級面缺陷打破了傳統(tǒng)鉍層狀材料極化受限于a-b平面的桎梏，讓周圍的鈣鈦礦層貢獻額外的面外極化，產(chǎn)生了獨特的局域極化構(gòu)型，破壞了基體的長程鐵電序，形成小尺寸的不規(guī)則鐵電疇，為實現(xiàn)高壓電性能提供了結(jié)構(gòu)基礎；同時，引入高熵策略在局部尺度上有利于降低能壘，促進極化旋轉(zhuǎn)，有利于獲得高的壓電性能。此外，熵增會導致晶粒細化、電疇納米化，因此在高熵CaBi2Nb2O9基壓電陶瓷中大量的晶界會導致載流子傳導距離增加，從而使得陶瓷電阻率增大，實現(xiàn)了綜合電學性能的協(xié)同優(yōu)化。

圖2 高熵策略調(diào)控局域極化構(gòu)型增強電學性能

與此同時，今年初，團隊將熵調(diào)控策略引入到反鐵電材料中用于優(yōu)化其儲能性能，實現(xiàn)了儲能密度和儲能效率的協(xié)同提升。以及利用核-殼結(jié)構(gòu)中局域極化構(gòu)型設計，獲得了具有優(yōu)異儲能性能的弛豫反鐵電陶瓷。兩項成果分別以“Design of antiferroelectric polarization configuration for ultrahigh capacitive energy storage via increasing entropy”和“Design of polymorphic heterogeneous shell in relaxor antiferroelectrics for ultrahigh capacitive energy storage” 發(fā)表在《Nature Communications》上。

相關(guān)研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202419134

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56194-1

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56316-9

來源：海南大學

原文鏈接：https://news.hainanu.edu.cn/info/1005/391151.htm

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