具有高儲能密度、高儲能效率及優(yōu)秀熱穩(wěn)定性的材料是寬溫域高儲能密度薄膜電容器的基礎(chǔ)，是近年來學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點。電容器的儲能密度與介電常數(shù)、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(shù)成反比，也就是說很難在單一材料中實現(xiàn)高儲能特性。
針對這一問題，我們利用生長溫度調(diào)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(xiàn)了塊狀亞晶、纖維狀亞晶和柱狀亞晶三種亞晶結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)柱狀亞晶結(jié)構(gòu)的面外傾轉(zhuǎn)能夠有效地延遲極化飽和，弱化電疇的協(xié)同耦合，細(xì)化電滯回線，降低能量損耗。同時，亞晶粒的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)能夠阻礙電子的傳輸，提高薄膜的擊穿場強。二者的協(xié)同作用使得BT-BMZ單層薄膜在-100~200oC的寬溫域內(nèi)的儲能密度高達(dá)61.78 J/cm3，且儲能效率在這一工作溫區(qū)一直保持在74%以上。亞晶調(diào)控是基于晶體形核和生長速率之間的競爭實現(xiàn)的，方法簡單易控，具有很強的普適性。該方法為優(yōu)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(xiàn)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(fā)表在《Nano Energy》上，該工作是材料學(xué)院博士生胡天翼在馬春蕊教授指導(dǎo)下完成的。感謝微電子學(xué)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(xué)院的賈春林教授、馬傳生工程師在微觀結(jié)構(gòu)表征方面的支持。材料學(xué)院馬春蕊教授為該文章的通訊作者。西安交通大學(xué)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(xué)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(fā)于微信公眾號（西安交通大學(xué)材料學(xué)院）：科研動態(tài) | 我院科研人員在無鉛介電儲能薄膜電容器領(lǐng)域取得重要進展
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