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三相纳米畴变能量势垒大幅度降低,因而能显著降低迟滞,提高效率
宾州州立大学陈龙庆教授、西交大李飞教授通过相场计算,验证了唯像理论预测,并给出了三相固溶最优的组分范围。而清华课题组在其制备的薄膜材料中,的确实现了菱方四方纳米畴共存,为RSM和STEM所验证,如下图所示。特别值得一提的是,由两幅STEM比较可以清晰看出,三相固溶菱方和四方共存,显著降低了畴的尺度、提高了极化的无序度(x是为三相固溶中BaTiO3的比例,x=0.0对应BiFeO3和SrTiO3的两相固溶)。
XRD,RSM,和STEM证实三相固溶中菱方-四方共存,而且畴尺度降低,极化无序度提高
那介电性能是否如理论预期呢?从下图看可以看出,三相薄膜较于两相薄膜,介电常数有所降低,但介电损耗也显著降低。同样的现象在电滞回线也有体现,极化强度有所降低,但迟滞降低更为明显,因而在x = 0.3时实现了高极化、低迟滞的综合最优性能。
介电常数和电滞回线
另一方面,由于损耗降低和漏电流抑制,三相薄膜击穿强度大幅度提升,如下图所示:
击穿强度与漏电流
由于储能密度受击穿强度平方所制约,因此三相固溶薄膜虽然极化有所降低,但轻松被击穿强度的提高所弥补,最终储能密度显著提升。更为可贵的是,由于损耗和迟滞的降低,储能效率也显著提高,由下图所示:
储能密度
最后可以通过下表比较一下领域现状,三相固溶薄膜表现出优异的综合储能性能,储能密度甚至超过性能最高的含铅薄膜(85 J/cc)。此外,这一材料循环性能非常优越,108次后性能没有明显退化,而且在大约150度的高温下仍能正常工作。
看似不可调和的矛盾,就这样通过巧妙的材料设计予以克服。清华这一漂亮工作,很有启迪。论文第一作者是清华材料学院博士生潘豪。论文重要合作者还有物理所谷林、张庆华,清华于浦,和澳大利亚伍伦贡大学张树君。工作得到国家基金委和科技部的支持。
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