清华大学Nature: 新的策略提升反铁电储能

学术   2025-01-30 12:02   中国台湾  
介质基储能电容器,具有快速充放电速度和可靠性的特点,在尖端电气和电子设备中起着至关重要的作用。在追求电容器小型化和集成化的过程中,电介质必须提供高能量密度和效率。具有反平行偶极子结构的反铁电体,因其在场致铁电态中,可忽略的剩余极化和较高的最大极化,对于高性能能量存储具有重要意义。然而,较低的反铁电-铁电相变场和伴随较大的磁滞损耗,恶化了能量密度和可靠性。

今日,清华大学联合金属所,澳大利亚伍伦贡大学、松山湖实验室等,在Nature上发文,基于相场模拟,提出了一种新的策略,通过引入非极性或极性成分,发阻止反铁电体中的反极性有序。

实验表明,这种方法有效地调节反铁电-铁电相变场,同时降低磁滞损耗。因此,在PbZrO3基薄膜中,在所有反铁电体中,实现了189Jcm-3创纪录的高能量密度,以及在5.51mVcm-1电场时,81%高效率,这媲美于最先进的储能电介质。

扫描透射电子显微镜的原子尺度表征表明,分散的非极性区域阻碍了长程反极性有序,这有助于提高性能。这一策略,为调控极化曲线和增强反铁电材料的储能性能,提供了新的契机。

第一作者:Bingbing Yang, Yiqian Liu, Ru-Jian Jiang

通讯作者:张树君Shujun Zhang, Xiu-Liang Ma, Ce-Wen Nan & Yuan-Hua Lin

通读单位:清华大学,金属所,澳大利亚伍伦贡大学、松山湖实验室

Enhanced energy storage in antiferroelectrics via antipolar frustration.

基于反极性阻挫,增强反铁电体中的能量存储。


图1:反极性有序阻挫的相场演示。

图2:在(1 − x)PZH-xLS和(1 − y)PZH-yNBT薄膜中,调节过渡场和滞后翻转实验验证了阻挫设计功效。

图3: (1 − x)PZH-xLS薄膜中,原子分辨的受抑反极性有序。

图4:(1 − x)PZH-xLS薄膜的储能性能。

文献链接

Yang, B., Liu, Y., Jiang, RJ. et al. Enhanced energy storage in antiferroelectrics via antipolar frustration. Nature 637, 1104–1110 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08505-7

本文译自Nature。


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