清華新聞網(wǎng)7月11日電 基于電介質(zhì)材料的介電儲(chǔ)能電容器具有快的充放電速率、高的功率密度以及優(yōu)越的可靠性，是現(xiàn)代電子電路系統(tǒng)中不可替代的組成部分。在已報(bào)道的各類(lèi)電介質(zhì)材料中，弛豫鐵電體因具有小的極化翻轉(zhuǎn)回滯和較大的極化值，成為電介質(zhì)儲(chǔ)能材料的主流研究對(duì)象之一。弛豫鐵電體的弛豫性來(lái)源于其局部的成分異質(zhì)性，但是局部成分異質(zhì)性是定性的描述，不利于在實(shí)驗(yàn)上有效設(shè)計(jì)弛豫鐵電體。
圖1.基于多種典型介電材料的相場(chǎng)模擬結(jié)構(gòu)
材料學(xué)院林元華教授等人總結(jié)出弛豫鐵電體局部成分異質(zhì)性與原子無(wú)序度（即原子構(gòu)型熵）強(qiáng)烈相關(guān)（圖1a），提出用熵來(lái)描述和評(píng)價(jià)局部成分異質(zhì)性，而熵是一個(gè)可量化的參數(shù)，這將有助于在實(shí)驗(yàn)上更好地設(shè)計(jì)出高性能的弛豫鐵電體。相場(chǎng)模擬結(jié)果表明熵可以顯著地調(diào)控介電材料的極化特性（圖1b），進(jìn)而優(yōu)化介電儲(chǔ)能性能（圖1c-e）。研究團(tuán)隊(duì)定義了優(yōu)值（UF）參數(shù)綜合評(píng)價(jià)電介質(zhì)的儲(chǔ)能性能，篩選出最佳區(qū)間是中熵。
圖2.熵調(diào)控樣品的晶體結(jié)構(gòu)和元素分布
圖3.材料的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性、弛豫度、極化特性以及儲(chǔ)能性能隨熵的演變
圖4.熵調(diào)控材料的儲(chǔ)能性能
研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上基于典型的層狀鉍基鐵電材料（Bi4Ti3O12）（圖2a-c）設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，原子像的透射電鏡結(jié)果表明引入的調(diào)控熵的元素（La，Pr，Nd和Sm）在原子尺度上是均勻分布的，并且可以看到在等價(jià)位置上的Bi元素可被引入的元素?zé)o序替代，表明通過(guò)熵的調(diào)控，提升了材料的局部成分異質(zhì)性?；谕干潆婄R，他們進(jìn)一步地統(tǒng)計(jì)了鈣鈦礦層中B-位原子相對(duì)于頂角A-位原子的相對(duì)位移，隨著熵的增加，原子相對(duì)位移方向變得更加無(wú)序（圖3a-c），且位移大小的分布變得更加彌散（圖3d-f），表明更大的晶格扭曲和提升的局部結(jié)構(gòu)異質(zhì)性。
由于熵帶來(lái)的成分無(wú)序和結(jié)構(gòu)無(wú)序增加，導(dǎo)致材料的弛豫性增加，極化回滯減小，最終優(yōu)化出了最佳的儲(chǔ)能區(qū)間（圖3g-i）是中熵，和模擬計(jì)算的結(jié)構(gòu)一致。基于此，他們總結(jié)出熵-成分異質(zhì)性-弛豫度的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而將有助于在實(shí)驗(yàn)上更加有效地指導(dǎo)弛豫鐵電體的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更佳的性能。最終在中熵的弛豫鐵電體x=1.5的薄膜中實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的儲(chǔ)能性能，即儲(chǔ)能密度為178.1 J cm-3，效率為80.5%，并且該薄膜還具有較好的充放電循環(huán)穩(wěn)定性和寬溫區(qū)的溫度穩(wěn)定性（圖4a-d）。此外，基于中熵的成分，研究團(tuán)隊(duì)還嘗試了多層薄膜電容器的制備，其相對(duì)于傳統(tǒng)的流延制備的多層陶瓷電容器，顯示了更高的儲(chǔ)能性能（圖4e-f）。
近日，相關(guān)成果以“熵調(diào)控弛豫鐵電體的儲(chǔ)能優(yōu)化”（Engineering relaxors by entropy for high energy storage performance）為題在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際著名期刊《自然·能源》（Nature Energy）上。材料學(xué)院博士后楊兵兵、中科院物理所副研究員張慶華和北京理工大學(xué)教授黃厚兵為文章的共同第一作者。清華大學(xué)林元華教授、南策文院士為文章的共同通訊作者。論文的重要合作者還包括加州大學(xué)伯克利分校博士后潘豪，賓夕法尼亞州立大學(xué)教授陳龍慶，清華大學(xué)材料學(xué)院教授谷林，材料學(xué)院博士后藍(lán)順、楊樂(lè)陶、魏賓，以及博士生劉亦謙、劉逸群，北京理工大學(xué)的朱文軒等相關(guān)人員。本工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委中心項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41560-023-01300-0
供稿：材料學(xué)院
編輯：李萍
審核：段穎
