（本網(wǎng)訊）能夠存儲(chǔ)和釋放電荷的鐵電材料因其具有超快的充放電速度及高的功率密度，可作為儲(chǔ)能元件，在電力電子轉(zhuǎn)換器、新能源汽車(chē)及脈沖功率系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其中，透明鐵電陶瓷由于能把光、電、力等性能耦合在一起，已成為光纖通信、集成光學(xué)和信息處理等領(lǐng)域應(yīng)用的核心元件之一。隨著各國(guó)對(duì)含鉛材料的限制，開(kāi)發(fā)可替代含鉛材料的無(wú)鉛透明鐵電陶瓷迫在眉睫。但無(wú)鉛陶瓷的高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、大極化強(qiáng)度及高光學(xué)透過(guò)率往往難以兼具，導(dǎo)致大多數(shù)無(wú)鉛陶瓷的儲(chǔ)能密度小、儲(chǔ)能效率低或透明性差，限制了電子元器件面向高性能及多功能化的發(fā)展要求。如何保證在擁有高的儲(chǔ)能密度的同時(shí)使光學(xué)透過(guò)率得到進(jìn)一步提升，是獲得高儲(chǔ)能性能無(wú)鉛透明鐵電陶瓷研究的難點(diǎn)之一。

針對(duì)以上問(wèn)題，西安工業(yè)大學(xué)劉衛(wèi)國(guó)教授研究團(tuán)隊(duì)對(duì)新型無(wú)鉛儲(chǔ)能透明電子陶瓷展開(kāi)深入的工作，在新型無(wú)鉛KNN基電子陶瓷材料的高儲(chǔ)能密度和光學(xué)透過(guò)率研究上取得重要進(jìn)展。該研究采用將第二組元Sr(Sc_0.5Nb_0.5)O₃固溶入K_0.5Na_0.5NbO₃中的方法，制備出(1-x)K_0.5Na_0.5NbO₃-xSr(Sc_0.5Nb_0.5)O₃透明儲(chǔ)能電子陶瓷。通過(guò)調(diào)制x值，增加禁帶寬度E_g，增大光電子在材料中發(fā)生躍遷的難度；通過(guò)調(diào)制弛豫程度，將晶粒尺寸降至亞微米級(jí)，減少光子穿過(guò)材料時(shí)的損失，并增大鐵電陶瓷的擊穿場(chǎng)強(qiáng)；通過(guò)引入極性納米微區(qū)，降低鐵電疇尺寸，加快疇的極性翻轉(zhuǎn)速度及降低翻轉(zhuǎn)難度，減小鐵電材料的剩余極化強(qiáng)度，從而提高鐵電陶瓷的儲(chǔ)能密度及功率密度。采用上述方法后，在0.825KNN-0.175SSN陶瓷中實(shí)現(xiàn)了最佳儲(chǔ)能特性：W=4.42J/cm³、W_rec=2.67J/cm³，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的透明性，透過(guò)率在波長(zhǎng)780nm和1378nm時(shí)分別達(dá)到76.7%和84.5%（圖1）。

圖1.同時(shí)提高(1-x)KNN-xSSN鐵電陶瓷儲(chǔ)能密度及透過(guò)率的設(shè)計(jì)方案及0.825KNN-0.175SSN陶瓷的可恢復(fù)儲(chǔ)能密度與透過(guò)率測(cè)試圖。

近日，該工作以“A strategy for high performance of energy storage and transparency in KNN-based ferroelectric ceramics”為題，發(fā)表于工程技術(shù)領(lǐng)域TOP期刊Chemical Engineering Journal（影響因子：13.273）。該文第一作者為戴中華教授，劉衛(wèi)國(guó)教授、任曉兵教授與戴中華教授為共同通訊作者。西安交通大學(xué)前沿技術(shù)研究院、日本國(guó)立材料研究所及北京交通大學(xué)為本文的合作單位。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)支持。

劉衛(wèi)國(guó)教授研究團(tuán)隊(duì)致力于光電器件及光學(xué)元件制造技術(shù)、電子材料與新能源等方向研究，該工作是團(tuán)隊(duì)在交叉領(lǐng)域多項(xiàng)研究成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal[397:125520(2020);410:128341(2021)],ACS Applied Materials & Interfaces[12:30289(2020)],Advanced Materials[29:1606922(2017)]等國(guó)際著名期刊后的又一重要進(jìn)展。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131959

文：戴中華、王宵  審核：周順  編輯：毛逸彬