Nano Energy: 一種提高電介質擊穿電場的普適方法—低溫極化調控缺陷偶極子與納米疇的相互作用

【前言】

擁有較大擊穿電場的鐵電材料可以被廣泛應用于許多強場電學領域，如固態電卡制冷、能量儲存、電致應變、壓電換能、熱釋電等等。為了提高鐵電材料的介電擊穿電場，常用的方法和策略主要有：1）減少樣品厚度和電極面積；2）提高材料致密度；3）增加材料禁帶寬度；4）提高材料絕緣性；5）植入死層；6）在氧氣中退火等等。盡管這些方法和策略對于鈦酸鋇、鈦酸鍶鋇等不含揮發性元素的體系非常有效，然而對于一些富含Bi、Pb、Na、K等揮發性元素體系，如我們熟知的多鐵性明星材料—BiFeO₃，以及PbZrO₃、(Na_1/2K_1/2)NbO₃、(Na_1/2Bi_1/2)TiO₃等，這些方法往往效果不明顯，且往往愛莫能助。

【成果簡介】

近日廣西大學納米能源研究中心的彭彪林教授（本文的第一作者和通訊作者）及其合作者發明了一種提高介電材料擊穿電場的普適方法——低溫極化，見模型圖1。通過該方法可以將富含揮發性元素（Pb）的(Pb_,La)(Zr_,Sn_,Ti)O₃薄膜的介電擊穿電場在原有基礎上提高近一倍的大小（由1286kV/cm提高至2000kV/cm），見圖2，其相應的儲能密度也提高了將近一倍（由16.6J/cm³提高至31.2J/cm³），見圖3。研究成果以“Low-temperature-poling awakened high dielectric breakdown strength and outstanding improvement of discharge energy density of (Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O₃?relaxor thin film”為題發表于國際頂尖學術期刊《Nano Energy》(2019年影響因子預計：17.76)。

利用這一普適方法，鐵電薄膜/陶瓷材料在固態電卡制冷技術、高功率密度與儲能密度能量儲存技術、壓電換能/馬達技術、高精度熱釋電非致冷成像技術、電致應變型高精度微位移控制技術等民用、軍用領域中的使用性能得到極大的提升。

本文的共同作者有：新加坡國立大學的呂力教授、英國克蘭菲爾德大學的張奇教授、香港理工大學的黃海濤教授、南京郵電大學的白剛教授、桂林電子科技大學的苗蕾教授以及廣西大學的鄒炳鎖教授。廣西大學已畢業碩士研究生唐嗣麟(導師為彭彪林教授)為本文的共同第一作者。桂林理工大學的劉來君教授、廣西大學的孫文紅教授以及中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士為本文的共同通訊作者。

該研究工作得到了國家自然科學基金、廣西自然科學基金杰出青年基金、廣西百人計劃、廣西自然科學留學回國重點基金、廣西大學相對論天體物理重點實驗室、廣西有色金屬及特色加工國家重點實驗室（培育）、中組部西部之光訪問學者計劃等的共同資助。

【圖文導讀】

圖1低溫極化提高介電擊穿電場模型圖

T₁:室溫，T₂：液氮溫度

圖2?極化（喚醒）前與極化（喚醒）后介電擊穿電場對比圖

圖3?極化（喚醒）前與極化（喚醒）后儲能密度對比圖

本文由廣西大學納米能源研究中心供稿。