多層陶瓷電容器（MLCC）作為目前世界上用量最大、發(fā)展最快的無源片式元件之一，由于其小體積、高電容量、低損耗、高功率密度、穩(wěn)定的機(jī)械強(qiáng)度以及優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于包括信息技術(shù)、消費類電子、通信、新能源、工業(yè)控制等各行業(yè)。然而，隨著下一代電氣和電子設(shè)備面臨更高的小型化和集成化需求，當(dāng)下MLCC器件的低能量存儲密度及低儲能效率嚴(yán)重阻礙了其在高功率器件中的應(yīng)用。
圖1.相場模擬(100-x-y)BNT-xNN-yST 全體系的?P-E?曲線和儲能特性預(yù)測
電容器的儲能性能由電介質(zhì)材料的極化-電場P-E曲線決定，大Wrec和高η的實現(xiàn)必須同時滿足大極化強(qiáng)度Pmax、小剩余極化強(qiáng)度Pr和高擊穿強(qiáng)度Eb三個要素。在過去的十余年里，研究人員采用模板誘導(dǎo)織構(gòu)法、核殼結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)、成型過程優(yōu)化和燒結(jié)工藝改進(jìn)等微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高擊穿強(qiáng)度；或采用高熵法、特定溫區(qū)調(diào)節(jié)、疇工程、化學(xué)成分摻雜等極性結(jié)構(gòu)設(shè)計來抑制極化滯后和降低損耗。通過上述策略的合理組合，可以實現(xiàn)陶瓷電容器的高儲能特性。此外，采用特定介電溫區(qū)調(diào)節(jié)、納米級極化失配與重構(gòu)、設(shè)計遍歷區(qū)域等方案在鐵電體中構(gòu)建多極化構(gòu)型來提升儲能是被公認(rèn)有效的。例如，Chen等人在KNN基（(K,Na)NbO3）高熵陶瓷中實現(xiàn)了包括T相、R相、O相、C相和隨機(jī)氧八面體傾斜在內(nèi)的局部多態(tài)畸變，其極化各向異性和能量勢壘大大減弱，導(dǎo)致疇轉(zhuǎn)換路徑更加平順，獲得了10.06 J·cm-3的高Wrec，同時η約為90.8%。當(dāng)前，BNT（(Na0.5Bi0.5)TiO3的R相）、NN（NaNbO3的O相）和ST（SrTiO3的C相）是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ臒o鉛儲能體系，盡管它們相互組成的二元體系（如BNT-ST、BNT-NN和NN-ST）已被大量研究，但BNT-NN-ST三元系統(tǒng)的疇結(jié)構(gòu)、極化構(gòu)型和儲能特性等還未被深入研究。
圖2.55-20-25-Mn MLCC 在不同測試條件下(電場、溫度和循環(huán)次數(shù))的儲能特性
基于以上考慮，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授團(tuán)隊提出采用BNT作為基體，利用其中Bi的6s和O的2p軌道雜化引起遠(yuǎn)高于其它無鉛鐵電體極化的特性，與NN結(jié)合構(gòu)建R-O-T-C共存的極化構(gòu)型，進(jìn)一步引入ST進(jìn)一步打破長程鐵電有序最終形成局部多態(tài)極化結(jié)構(gòu)，從而大幅提高M(jìn)LCC的儲能性能，實現(xiàn)高功率密度MLCC在嚴(yán)苛環(huán)境下的應(yīng)用。本工作通過模擬BNT-NN-ST體系在整個組成范圍內(nèi)的P-E曲線，探尋可能同時實現(xiàn)高Wrec和高η的最佳折中組合（如圖1所示），設(shè)計出一種R相、T相和O相極性納米微區(qū)（PNRs）嵌入C相順電基體的局部多態(tài)極化結(jié)構(gòu)，結(jié)合MLCC原型器件制造工藝，通過燒結(jié)助劑MnO2的添加優(yōu)化燒結(jié)過程，增強(qiáng)介質(zhì)/電極界面結(jié)合力，實現(xiàn)電介質(zhì)與電極材料的共燒匹配。研究結(jié)果表明，得益于系統(tǒng)的相場模擬結(jié)果和MLCC原型器件制造，在BNT-NN-ST系統(tǒng)中構(gòu)建局部多態(tài)極化構(gòu)型可以大幅度減少極化滯后和提高擊穿強(qiáng)度，在55-20-25-Mn組分的MLCC中實現(xiàn)了與鉛基MLCC相當(dāng)?shù)母遅rec值20.0 J·cm-3和η值（86.5%），優(yōu)于目前報道的其它無鉛MLCC，顯示了該陶瓷電容器的應(yīng)用潛力。此外，該MLCC在900 kV·cm-1電場下、寬溫（25-150 ℃）范圍內(nèi)展示出良好的穩(wěn)定性（變化率小于±5.2%），以及具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（1-104次），如圖二所示。這些結(jié)果表明，這種以相場模擬為指導(dǎo)的局部多態(tài)極化構(gòu)型設(shè)計結(jié)合原型器件制造的方案可以被認(rèn)為是開發(fā)下一代高性能高功率陶瓷電容器的可行策略。
該研究成果以“多層鐵電陶瓷電容器儲能特性的全面優(yōu)化”（Global-optimized energy storage performance in multilayer ferroelectric ceramic capacitors）為題，在國際知名期刊《自然通訊》（Nature Communications）（IF=14.7）在線發(fā)表。西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院博士生李達(dá)為第一作者，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院周迪教授、徐諦明助理教授、電氣工程學(xué)院劉文鳳教授和北京理工大學(xué)黃厚兵教授為共同通訊作者。該工作得到國家重點研發(fā)計劃子課題項目、陜西省國際合作項目等項目的資助，西安交通大學(xué)國際電介質(zhì)研究中心提供了大量測試表征支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55491-5
周迪教授團(tuán)隊主頁：http://gr.xjtu.edu.cn/web/zhoudi1220
來源：西安交大
原文鏈接：https://news.xjtu.edu.cn/info/1004/217970.htm
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