高熵鐵電體因其靈活的化學設計、新穎的局域結構特征、優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域，成功實現壓電性能、絕緣性能和溫度穩定性等電學性能的協同提升，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d33提升至30 pC/N以上，同時伴隨著良好的溫度穩定性以及在750 ℃高溫下高電阻率仍大于1.0×10? Ω·cm，其綜合電學性能優于已報道的鉍層狀結構高溫壓電陶瓷材料。同步輻射X射線衍射、原子對分布函數、球差矯正透射電子顯微鏡分析發現，在CaBi2Nb2O9中引入高熵策略后，其保持長程正交相結構的同時，高熵效應導致其中部分鉍氧層被擠出，誘導其層狀結構中形成高密度二維非晶態缺陷。這些納米級面缺陷打破了傳統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，產生了獨特的局域極化構型，破壞了基體的長程鐵電序，形成小尺寸的不規則鐵電疇，為實現高壓電性能提供了結構基礎；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，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，實現了綜合電學性能的協同優化。
圖2 高熵策略調控局域極化構型增強電學性能
與此同時，今年初，團隊將熵調控策略引入到反鐵電材料中用于優化其儲能性能，實現了儲能密度和儲能效率的協同提升。以及利用核-殼結構中局域極化構型設計，獲得了具有優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” 發表在《Nature Communications》上。
相關研究工作得到國家重點研發計劃、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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