澳大利亚新南威尔士大学王丹阳副教授课题组Adv. Sci: 低电场下铁电薄膜的高储能密度

摘要：目前提高薄膜静电储能密度的主流方式是提高其击穿场强，这往往会导致发热和意外的绝缘故障，恶化了电子元器件的稳定性和寿命。澳大利亚新南威尔士大学王丹阳副教授课题组和合作者提出了一种低电场下提高铁电薄膜可循环储能密度的新策略，即在准同型相界(MPB)周围构造超四方(super-T)纳米结构来提高薄膜的饱和极化值并同时降低剩余极化值，从而提高薄膜的储能密度。

关键词：静电储能，无铅铁电薄膜，准同型相界，超四方纳米结构

具有高功率密度的介电电容器是电子设备，移动平台和电子脉冲电源系统中备受关注的基本储能元件。特别是介电薄膜电容器，在微型电子电路和微型功率器件中扮演着重要的角色。介电电容器具有超快的充放电速率以及优良的热稳定性和机械稳定性，但其储能密度较低。为了满足现代器件对先进电子设备和电气系统的集成化和小型化的要求，人们长期致力于提高介电薄膜电容器的储能密度。目前提高薄膜静电储能密度的主流方式是提高其击穿场强，然而高电场往往会带来电晕泄露、焦耳发热、电疲劳和高温介电击穿等问题，同时也给配套绝缘系统带来的挑战，这可能会限制它们在集成度高的小型化设备上的应用。因此，高电场下得到的高储能密度在实际应用上仍相当具有挑战性。更重要的是，可植入和可穿戴电子设备的快速发展，如心脏除颤器和植入式助听器，引发了对低电场下具有高能量密度的储能设备的巨大需求。因此，迫切需要一种替代策略来提高介电薄膜低电场下的能量密度。

澳大利亚新南威尔士大学王丹阳副教授课题组通过调控生长条件，在具有MPB组分0.94(Bi, Na)TiO₃-0.06BaTiO₃ (BNBT)薄膜中引入第二相𝛽-Bi₂O₃，通过利用BNBT和𝛽-Bi₂O₃的面外晶格不匹配关系，成功地制备出具有局部超四方纳米结（tetragonality ≈ 1.25）的BNBT铁电薄膜。β-Bi₂O₃对提高BNBT薄膜的储能性能有两个关键作用。首先，β-Bi₂O₃晶格对邻近的BNBT晶胞的c轴施加了一个大的拉伸力，产生了super-T纳米团簇，提高了BNBT薄膜的最大极化Pm。其次，引入离散的β-Bi₂O₃原子层可以打破原本长距离有序的铁电畴，产生一种类似弛豫的状态。从这个意义上说，BNBT薄膜的剩余极化和迟滞损耗都降低了，从而形成了一个大的(Pm - Pr)和更瘦的P-E回线，这在很大程度上有助于BNBT薄膜在低电场下的高储能密度和效率。最终，在1.7 MV cm^-1的电场下，BNBT薄膜获得了86 J cm⁻³的高储能效率和81%的储能效率。据作者所知，BNBT薄膜的储能密度代表了迄今为止所有氧化物钙钛矿在相似电场强度下的新记录。这项工作的发现为开发超低电场驱动的纳米/微电子领域的超高能量密度薄膜电容器提供了新的思路。