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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(xué)

林元華，男，博士，清華大學(xué)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(qǐng)專(zhuān)利30項(xiàng)，獲授權(quán)20項(xiàng)。在國(guó)際國(guó)內(nèi)會(huì)議上做邀請(qǐng)報(bào)告80余次。

論文速覽

為實(shí)現(xiàn)高的儲(chǔ)能性能，必須在極化和擊穿強(qiáng)度這兩個(gè)矛盾參數(shù)之間做出取舍。研究表明，無(wú)論是什么材料類(lèi)型，都可以通過(guò)控制微觀結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)這兩個(gè)參數(shù)：非晶態(tài)具有更高的擊穿強(qiáng)度，而晶態(tài)則具有更大的極化強(qiáng)度。然而，如何平衡非晶態(tài)和晶態(tài)相是一個(gè)需要系統(tǒng)和定量研究的問(wèn)題。

通過(guò)相場(chǎng)模擬，作者全面評(píng)估了極化與擊穿場(chǎng)隨微觀結(jié)構(gòu)演變（即晶粒尺寸和結(jié)晶度）之間的權(quán)衡。結(jié)果表明，晶粒尺寸?。s10-35 nm）且結(jié)晶度適中（約60%~80%）更有利于同時(shí)保持相對(duì)較高的極化和擊穿場(chǎng)，從而有助于實(shí)現(xiàn)高的整體能量存儲(chǔ)性能。實(shí)驗(yàn)上，作者在微晶-非晶雙相Bi₃NdTi₄O₁₂薄膜中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)131 J cm^-3的超高能量密度和81.6%的高效率。本工作為通過(guò)簡(jiǎn)單有效的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大幅提升介電能量存儲(chǔ)提供了指導(dǎo)。

圖文導(dǎo)讀

圖1：BNT多晶在晶粒尺寸和結(jié)晶度從左到右減小的情況下，通過(guò)相場(chǎng)模擬得到的結(jié)構(gòu)演變、極化分布和擊穿路徑。

圖2：在固定電場(chǎng)下，不同晶態(tài)和晶粒尺寸下的能量存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)演變，包括晶粒尺寸和非晶相分布。

圖5：BNT薄膜極結(jié)構(gòu)的演變。

圖6：BNT薄膜的能量存儲(chǔ)性能。

總結(jié)展望

本文通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了微觀結(jié)構(gòu)演變對(duì)極化和擊穿行為的影響，并全面評(píng)估了極化與擊穿場(chǎng)之間的權(quán)衡。研究結(jié)果表明，具有小晶粒尺寸和適度結(jié)晶度的介電材料不僅有利于實(shí)現(xiàn)高擊穿場(chǎng)，而且能夠保持相對(duì)較大的極化，從而實(shí)現(xiàn)比報(bào)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(shí)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(guò)設(shè)計(jì)多晶微結(jié)構(gòu)來(lái)普遍提高介電材料的能量存儲(chǔ)性能提供了深入的見(jiàn)解，并建議了優(yōu)化的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)區(qū)間。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)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：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/06/05/6075a063a9/

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清華大學(xué)林元華教授，最新AM！

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