清华最新Science:超高能量密度的介电薄膜

【引言】

基于介电材料的电容器因其独特的超高功率密度（超快充放电速率），高电压持续时间以及良好的可靠性而在电子器件以及电能系统中扮演着至关重要的角色。然而，介质电容器的能量存储能力比较低，一直是阻碍其继续发展的主要困难。随着新型电子电学系统不断集成化和微型化，寻求提高介质电容器的能量密度也成为了介电材料领域亟待解决的问题。

【成果简介】

清华大学的林元华教授和南策文教授（共同通讯作者）等人发表文章报道发现在BiFeO₃-BaTiO₃-SrTiO₃固溶体中存在能够显著提升能量密度的纳米畴结构。研究人员利用相场模拟的方法，首先合成了无铅BiFeO₃-BaTiO₃-SrTiO₃固溶体薄膜，并使得菱方晶系和正方晶系的纳米畴能够同时存在。随后，研究人员发现在这种材料中维持高极化的同时还能够最小化滞后现象，其能量密度可高达112焦耳每立方厘米，能量转化效率也达到了80%左右。该研究认为，通过操纵构建纳米尺度畴结构能够为设计高性能介电材料以及其他功能化材料提供新型思路。2019年08月09日，相关成果以题为“Ultrahigh–energy density lead-free dielectric films via polymorphic nanodomain design”的文章在线发表在Science上。

【图文导读】

图1 高性能弛豫铁电体薄膜的设计

图2 BFBSTO薄膜的相和畴结构

图3 BFBSTO薄膜的介电、铁电以及能量存储性能

图4 BFBSTO薄膜的可靠性和稳定性评价

文献链接：Ultrahigh–energy density lead-free dielectric films via polymorphic nanodomain design（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aaw8109）

本文由材料人学术组NanoCJ供稿。

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