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第一作者：Bingbing Yang，Yiqian Liu

通訊作者：林元華

通訊單位：清華大學

林元華，男，博士，清華大學教授。目前發(fā)表SCI收錄論文300余篇，其中在Science、Nat. Mater.、Nat. Energy、Nat. Comunn.、Phys. Rev. Lett., Adv. Mater等期刊上發(fā)表100余篇，SCI論文被引用30000余次。申請專利30項，獲授權20項。在國際國內會議上做邀請報告80余次。

論文速覽

為實現(xiàn)高的儲能性能，必須在極化和擊穿強度這兩個矛盾參數(shù)之間做出取舍。研究表明，無論是什么材料類型，都可以通過控制微觀結構來調節(jié)這兩個參數(shù)：非晶態(tài)具有更高的擊穿強度，而晶態(tài)則具有更大的極化強度。然而，如何平衡非晶態(tài)和晶態(tài)相是一個需要系統(tǒng)和定量研究的問題。

通過相場模擬，作者全面評估了極化與擊穿場隨微觀結構演變（即晶粒尺寸和結晶度）之間的權衡。結果表明，晶粒尺寸小（約10-35 nm）且結晶度適中（約60%~80%）更有利于同時保持相對較高的極化和擊穿場，從而有助于實現(xiàn)高的整體能量存儲性能。實驗上，作者在微晶-非晶雙相Bi₃NdTi₄O₁₂薄膜中實現(xiàn)了高達131 J cm^-3的超高能量密度和81.6%的高效率。本工作為通過簡單有效的微觀結構設計大幅提升介電能量存儲提供了指導。

圖文導讀

圖1：BNT多晶在晶粒尺寸和結晶度從左到右減小的情況下，通過相場模擬得到的結構演變、極化分布和擊穿路徑。

圖2：在固定電場下，不同晶態(tài)和晶粒尺寸下的能量存儲性能。

圖3：不同熱處理溫度下BNT薄膜的表面形貌、P-E回線以及從P-E回線得出的極化性能參數(shù)。

圖4：BNT薄膜的相結構和微觀結構演變，包括晶粒尺寸和非晶相分布。

圖5：BNT薄膜極結構的演變。

圖6：BNT薄膜的能量存儲性能。

總結展望

本文通過理論和實驗相結合的方法，系統(tǒng)研究了微觀結構演變對極化和擊穿行為的影響，并全面評估了極化與擊穿場之間的權衡。研究結果表明，具有小晶粒尺寸和適度結晶度的介電材料不僅有利于實現(xiàn)高擊穿場，而且能夠保持相對較大的極化，從而實現(xiàn)比報道的近非晶介電材料更高的能量密度和效率。

在BNT薄膜中實現(xiàn)了131 J cm^-3的高能量密度和81.6%的高效率。本工作為通過設計多晶微結構來普遍提高介電材料的能量存儲性能提供了深入的見解，并建議了優(yōu)化的微觀結構參數(shù)區(qū)間。

文獻信息

標題：Balancing Polarization and Breakdown for High Capacitive Energy Storage by Microstructure Design

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.202403400

原創(chuàng)文章，作者：wang，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/06/02/2a11fd1862/

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