董显林课题组JACS：BNT基无铅铁电陶瓷研究方面取得系列进展

diyuhei

铁电材料具有丰富的外场诱导相变行为和复杂的耦合效应，在能量存储及转换领域具有重要应用。目前工程上应用的主要材料是Pb(Zr,Ti)O3（PZT）体系，探索和研发新的材料体系，特别是无铅材料体系，是当前铁电材料领域研究热点和发展趋势。(Bi0.5Na0.5)TiO3（BNT）基铁电陶瓷因具有优异的铁电性能、弛豫特性以及微区结构复杂等特点备受关注，被认为是有望取代PZT基铁电陶瓷的重要体系之一。但是纯BNT铁电陶瓷矫顽场大、电阻率低和退极化温度（Td）低等缺点限制了其应用。如何通过组成和微结构设计增强BNT陶瓷的综合性能以及揭示相关物理机制是该领域的一个重要课题。
　　最近，中国科学院上海硅酸盐研究所信息功能材料与器件研究中心研究员董显林和王根水带领的研究团队以BNT陶瓷为基体，通过组成和结构设计，实现了BNT铁电陶瓷体系抗冲击应力和电荷密度以及储能密度和储能效率等性能的显著提升，并揭示了性能增强的物理机制。该团队以BNT-BA材料体系为基体，固溶NaNbO3有效地调控陶瓷的相结构和显微结构，获得兼具高剩余极化强度Pr（41μC/cm2）、低介电损耗、高电阻率和高Td（175oC）的陶瓷组分。通过等静压以及冲击波加载实验系统研究了BNT基铁电陶瓷在冲击波下的放电行为和物理机制，在8.2GPa冲击压力下释放的电荷密度高达38 mC/cm2，比PZT95/5铁电陶瓷提高~20%，抗冲击应力和电荷密度均为目前报道的最大值。相关结果发表在Applied Physics Letters, 113, 082901 (2018)、Journal of the American Ceramic Society, 101, 4044-4052 (2018)、Journal of Applied Physics, 123, 036301 (2018)及Journal of the American Ceramic Society, 102, 2569-2577 (2019)上。论文第一作者为博士研究生彭萍，通讯作者为董显林和副研究员聂恒昌。

　　该团队还通过弛豫调控策略设计了一种新型BNT基介电储能陶瓷材料，储能密度和储能效率分别提高至3.08 J/cm3和81.4%。其设计思路是在BNT基体中引入Sr0.85Bi0.10.1TiO3（代表A位空位）及NaNbO3，通过引入A位空位及离子取代产生的应力失配和电荷不平衡形成局域随机场，打破BNT基体中偶极子的长程有序结构，形成弱耦合极性纳米微区，有利于获得较高的储能密度（Wrec）及储能效率（h）。同时发现在RT~100℃及1Hz~100Hz测试条件下，其储能特性还具有优异的稳定性，该材料有望成为介质储能电容器的候选材料。相关工作发表在Journal of Materials Chemistry C, 7, 6222-6230 (2019)和Rsc Advances, 9, 21355-21362 (2019)上。论文第一作者为硕士研究生吴宜宸，通讯作者为王根水。
　　该团队与应用单位合作，利用冲击波加载实验在BNT基铁电陶瓷中获得了目前报道最高的功率输出密度，并揭示了其在高压下的相变机制。相关结果发表在Physic Review Materials 3, 035401 (2019)上。该论文第一作者为中国工程物理研究院流体物理研究所副研究员高志鹏，通讯作者为王根水。


　　以上研究结果表明BNT基铁电陶瓷在铁电体高功率脉冲技术和介质储能电容器等方面具有潜在的应用前景。相关研究得到国家自然科学基金、上海市自然科学基金、中科院青年创新促进会、中国工程物理研究院院长基金的支持。


        董显林，男，1965年10月生，江西南康人，博士，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师。现任中国科学院上海硅酸盐研究所信息功能材料与器件研究中心主任，中国科学院无机功能材料与器件重点实验室主任。1986毕业于湖南大学化学化工系；1989年毕业于中国科学院合肥等离子体物理研究所凝聚态物理专业，获硕士学位；1992年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所无机非金属材料专业，获工学博士学位。1996年作为日本学术振兴会(JSPS)客座研究员在日本筑波大学物理工学系开展合作研究。
       王根水，男，1974年1月出生，理学博士，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师。1995年获得安庆师范学院化学教育专业学士学位，1998年在北京工业大学获得无机非金属材料专业硕士学位，2003年在中国科学院上海技术物理研究所获得博士学位，2003～2005年在法国国家科研中心微电子电子及纳米技术研究所（CNRS－IEMN）进行博士后研究，2006年度中国科学院“百人计划”。负责与参加国家自然科学基金、科技部863、973及上海市青年科技启明星等10多个科研项目，多年来一直从事铁电、压电、热释电材料制备及其表征研究方面的工作，在APL、JAP、JACerS等SCI期刊上发表论文100多篇，申请中国发明专利10项，授权6项。有关铁电材料生长控制、铁电物理及测试分析等方面的相关研究结果已被引用400多次。被邀请作为J. Am. Ceram. Soc. 特约编辑以及Appl. Phys. Lett. Appl. Sur. Sci. J. Am. Ceram. Soc. 等国际期刊审稿人。获得2008年度中国科学院上海硅酸盐研究所青年才俊奖。


       聂恒昌，中国科学院上海硅酸盐研究所副研究员。主要研究方向为铁电陶瓷调控制备、微结构调控、性能优化及其工程应用研究。作为项目负责人承担了国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金项目、上海市自然科学基金面上项目、中科院创新基金重大项目等10余项科研任务，总经费600余万元。在J. Mater. Chem. C, Appl. Phys. Lett., J. Am. Ceram. Soc.等期刊发表SCI论文50余篇，其中第一作者或者通讯作者发表论文18篇。申请中国发明专利10项，授权2项。入选了2017年度中国科学院青年创新促进会。