鐵電材料是一種典型的多功能材料，基于鈣鈦礦結構鐵電體的電介質(zhì)材料具有多種應用，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)中具有重要的應用前景。但是，由于電介質(zhì)材料中存在極化和應變之間的耦合關系，即在電場作用下能貢獻極化響應的機制，同樣能貢獻于顯著的應變響應，比如電場作用下的疇壁移動和電疇翻轉，電場驅(qū)動的反鐵電-鐵電（AFE-FE）相變，電場誘導的弛豫-鐵電轉變，以及簡單的離子位移響應等等。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-應變耦合帶來電致應變反而是有害的，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中的應變，成為當前研究領域亟待解決的問題。

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和超低的極化滯回而被廣泛應用介電儲能領域，其電致應變響應主要由電致伸縮效應主導，電致伸縮系數(shù)（Q33）反應了RFE材料中極化-應變耦合的強度。如果能顯著降低RFE中極化-應變的耦合關系，即獲得超低的Q33，便能顯著降低電致伸縮應變及其對MLCC器件的不利影響。團隊基于前期總結，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”。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的電場下應變響應僅有~0.118%。通過先進的微觀結構表征分析，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，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和較小的電致應變響應。

該論文以深入的實驗和理論研究為基礎，探討了超弱極化-應變耦合效應在鈣鈦礦結構材料中的表現(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對材料宏觀性能的影響，為理解鈣鈦礦材料中的電致應變行為提供了新的視角。特別是在MLCC材料領域，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，并有望推動相關領域的技術創(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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