Nano Energy: 一种提高电介质击穿电场的普适方法—低温极化调控缺陷偶极子与纳米畴的相互作用

【前言】

拥有较大击穿电场的铁电材料可以被广泛应用于许多强场电学领域，如固态电卡制冷、能量储存、电致应变、压电换能、热释电等等。为了提高铁电材料的介电击穿电场，常用的方法和策略主要有：1）减少样品厚度和电极面积；2）提高材料致密度；3）增加材料禁带宽度；4）提高材料绝缘性；5）植入死层；6）在氧气中退火等等。尽管这些方法和策略对于钛酸钡、钛酸锶钡等不含挥发性元素的体系非常有效，然而对于一些富含Bi、Pb、Na、K等挥发性元素体系，如我们熟知的多铁性明星材料—BiFeO₃，以及PbZrO₃、(Na_1/2K_1/2)NbO₃、(Na_1/2Bi_1/2)TiO₃等，这些方法往往效果不明显，且往往爱莫能助。

【成果简介】

近日广西大学纳米能源研究中心的彭彪林教授（本文的第一作者和通讯作者）及其合作者发明了一种提高介电材料击穿电场的普适方法——低温极化，见模型图1。通过该方法可以将富含挥发性元素（Pb）的(Pb_,La)(Zr_,Sn_,Ti)O₃薄膜的介电击穿电场在原有基础上提高近一倍的大小（由1286kV/cm提高至2000kV/cm），见图2，其相应的储能密度也提高了将近一倍（由16.6J/cm³提高至31.2J/cm³），见图3。研究成果以“Low-temperature-poling awakened high dielectric breakdown strength and outstanding improvement of discharge energy density of (Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O₃ relaxor thin film”为题发表于国际顶尖学术期刊《Nano Energy》(2019年影响因子预计：17.76)。

利用这一普适方法，铁电薄膜/陶瓷材料在固态电卡制冷技术、高功率密度与储能密度能量储存技术、压电换能/马达技术、高精度热释电非致冷成像技术、电致应变型高精度微位移控制技术等民用、军用领域中的使用性能得到极大的提升。

本文的共同作者有：新加坡国立大学的吕力教授、英国克兰菲尔德大学的张奇教授、香港理工大学的黄海涛教授、南京邮电大学的白刚教授、桂林电子科技大学的苗蕾教授以及广西大学的邹炳锁教授。广西大学已毕业硕士研究生唐嗣麟(导师为彭彪林教授)为本文的共同第一作者。桂林理工大学的刘来君教授、广西大学的孙文红教授以及中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士为本文的共同通讯作者。

该研究工作得到了国家自然科学基金、广西自然科学基金杰出青年基金、广西百人计划、广西自然科学留学回国重点基金、广西大学相对论天体物理重点实验室、广西有色金属及特色加工国家重点实验室（培育）、中组部西部之光访问学者计划等的共同资助。

【图文导读】

图1低温极化提高介电击穿电场模型图

T₁:室温，T₂：液氮温度

图2 极化（唤醒）前与极化（唤醒）后介电击穿电场对比图

图3 极化（唤醒）前与极化（唤醒）后储能密度对比图

本文由广西大学纳米能源研究中心供稿。