上海矽酸鹽所在反鐵電陶瓷研究中取得重要進展

2020-12-21 小材科研

脈衝功率技術可以在極短時間內釋放出兆瓦級功率的電能量，在很多特殊領域具有廣泛的應用。作為脈衝功率電源的關鍵部件，高性能電容器對減小設備的重量和體積，滿足小型化、高功率化發展具有重要作用。反鐵電陶瓷具有儲能密度高、放電電流大和放電速度快等優點，是新一代高性能脈衝電容器的重要候選材料。深刻理解反鐵電陶瓷的物理本質和構效關係對研發高性能反鐵電陶瓷電容器具有重要意義。

圖1. PLZST系列陶瓷極化序構的原子尺度表徵

中國科學院上海矽酸鹽研究所董顯林研究員、王根水研究員帶領的研究團隊前期在反鐵電陶瓷的組成設計、性能調控、工程應用等方面已開展了大量富有成效的研究工作。近期，該團隊與上海矽酸鹽所許鍅鍅研究員帶領的微結構研究團隊緊密合作，綜合利用透射電鏡和電學表徵等手段對傳統(Pb, La)(Zr,Sn,Ti)O3 (PLZST)反鐵電陶瓷開展了原子尺度的結構表徵和研究，突破了反鐵電陶瓷極化有序的傳統認識，並構建了反鐵電陶瓷結構與性能之間的關聯規律。相關研究結果以「Unveiling the Ferrielectric Nature of PbZrO3-based Antiferroelectric Materials」為題發表在Nature Communications上(DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-17664-w），論文第一作者為上海矽酸鹽所無機材料分析測試中心傅正錢助理研究員和信息功能材料與器件研究中心陳學鋒研究員，論文通訊作者為董顯林研究員、王根水研究員和許鍅鍅研究員，上海矽酸鹽所為論文唯一通訊單位。澳大利亞臥龍崗大學張樹君教授參與了相關研究工作。

圖2. PLZST系列陶瓷結構序參量與極化序參量的耦合規律

研究發現，PLZST系列鈣鈦礦型陶瓷均呈現非公度調製結構，調製模式分為極化大小和極化角度兩種，它們可以在納米尺度內自由地轉變與共存。非公度結構主要起源於原子位移的周期性調製，並形成亞鐵電性質的極化有序。這種亞鐵電有序是通過鐵電有序層的特定組合而產生，化學組成的改變可以驅動鐵電有序層的寬度在0.6nm-1.5nm範圍內逐漸過渡，從而調控非公度結構的調製周期。鐵電有序層的寬度變化影響了最近鄰電偶極子的相互作用，使得轉折電場、介電常數、剩餘極化等關鍵電學性能參數與調製周期近似呈現線性關係。這些發現為反鐵電材料的理論發展和性能優化提供了基礎。

圖3. PLZST系列陶瓷的構效關係

以上工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、預研領域基金、上海無機材料測試表徵技術平臺等項目的資助。

來源：上海矽酸鹽所

論文連結

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17664-w

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