北京科技大學JACS：引入局域化學團簇，實現無鉛弛豫鐵電體的優異固態介質電容儲能性能

【研究背景】

固體的局域結構，通常是埃到幾個納米的尺度范圍，涵蓋了近鄰原子鍵長到數個單胞尺度的空間結構特征。傳統的晶體學方法只能提供平均的長程晶格信息，局域尺度的晶格特征如局域晶格畸變、短程化學序等，往往被掩蓋在寬化的長程平均結構中。弛豫鐵電固溶體以局域不均一極性結構為特征，表現出優異的固態介質電容儲能、壓電、電致伸縮等性質。一般認為，局域化學成分不均一性是形成這種極性結構的先決條件。這種局域不均勻性由于表征困難，在化學組分設計中，弛豫鐵電體固溶體通常被簡化為無序固溶體，即不同離子在晶格中隨機分布并占據同一晶格點位。然而，這種簡化也忽略了局域化學成分不均一性在宏觀性能調控中的重要作用。

【成果簡介】

北京科技大學陳駿教授和劉輝副教授等在利用大科學裝置中子/同步輻射全散射和原子對分布函數（PDF）技術解析弛豫鐵電體局域結構及化學調控基礎上[JACS?145, 6194 (2023); JACS?145, 11764 (2023); Nature Commun.?14, 1007 (2023); Sci. Adv.?9, eade7078 (2023); Acta Mater.?243, 118505 (2023); InfoMat?5, e12362 (2023); Chem. Mater.?34, 3985 (2022). Phys. Rev. B?105, 094118 (2022)]。通過在BNT-BT基無鉛弛豫鐵電體中引入局域化學團簇，獲得具有強極化矢量長度及方向波動的極性狀態，實現了高的電容儲能密度（W_rec?= 15.2 J cm^?3）和高的存儲效率（h?= 91%）。

研究發現固溶體中存在亞納米級Bi³⁺，Na⁺，Ba²⁺離子團簇，這些離子團簇承載著差異化極性團簇：Bi³⁺團簇具有大的極化矢量長度，而Na⁺和Ba²⁺離子團簇具有小的極化矢量長度。這種離子團簇誘導的極化矢量方向和長度強烈波動結構，在電場作用下發生極化旋轉和極化伸長，成形2段式宏觀極化曲線。因此，該類弛豫鐵電固溶體具有隨電場增加而增加的儲能效率、儲能密度及高的擊穿場強。該研究工作表明，常常被忽視的局域化學序對弛豫體的極化特性有重要影響，并且可用于增強固態介質電容儲能性能。

相關研究成果以“Local Chemical Clustering Enabled Ultrahigh Capacitive Energy Storage in Pb-Free Relaxors”為題發表在《Journal of the American Chemical Society》。合作單位包括南京理工大學，美國橡樹嶺國家實驗室散裂中子源和阿貢國家實驗先進光源。該研究工作得到了國家自然科學基金的支持。論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c06912。

【圖文介紹】

圖1：在無鉛弛豫鐵電固溶體中設計局域化學團簇以實現“雙高”儲能特性（高儲能密度及高存儲效率）的設計思路、第一性原理計算不同原子排布構型能量及電荷密度

圖2：平均結構及基于高分辨電鏡的局域結構表征

圖3：局域大科學裝置中子/同步輻射全散射技術重構三維原子尺度結構

圖4：亞納米尺度離子團簇定量表征

圖5：局域離子極化特性及三維極性結構解析

圖6：優異的固態介質電容儲能特性

【作者簡介】

劉輝，北京科技大學材料基因工程高精尖創新中心副教授，碩導，陳駿教授團隊青年教師。2020年博士畢業于北京科技大學，曾獲留學基金委資助在美國阿貢國家實驗室交流學習。主要圍繞鈣鈦礦型鐵電材料的結構和功能，從局域結構和晶體結構角度，在復雜固溶體體系功能導向設計合成及構效關系等方面開展系列工作。特別是借助同步輻射/中子散射等大科學裝置原位表征技術研究精細晶體結構、局域結構等方面取得了系列成果。目前以第一作者/通訊（共同）作者身份發表SCI論文40余篇，包括J. Am. Chem. Soc.?(3篇)、Phys. Rev. Lett.?(2篇)、Nature Commun.、Acta Mater.?(4篇)等。入選2020年博士后創新人才支持計劃，主持國家自然科學基金面上和青年基金等省部級以上項目多項；擔任中國晶體學會局域結構與全散射分會副秘書長，Chin. Chem. Lett.、Prog. Nat. Sci.-Mater.、Tungsten等5個國際期刊的青年編委/客座編輯等。