铁电材料是一种典型的多功能材料，基于钙钛矿结构铁电体的电介质材料具有多种应用，比如电容器、驱动器、传感器、换能器等等。其中，利用其高介电常数和高极化能力制成的多层陶瓷电容器（MLCC）具有超高的功率密度，在现代脉冲功率系统中具有重要的应用前景。但是，由于电介质材料中存在极化和应变之间的耦合关系，即在电场作用下能贡献极化响应的机制，同样能贡献于显著的应变响应，比如电场作用下的畴壁移动和电畴翻转，电场驱动的反铁电-铁电（AFE-FE）相变，电场诱导的弛豫-铁电转变，以及简单的离子位移响应等等。对于MLCC器件而言，介电常数和极化能力是必须的，而由于极化-应变耦合带来电致应变反而是有害的，在交变电场下，MLCC的周期性震动会产生“singing capacitors”现象，并由于机械疲劳导致潜在的焊脚松动，器件内部微裂纹扩展，存在器件性能衰退和失效的风险。这种应变问题不仅限制了电容器的使用寿命，还可能影响整个系统的稳定性和可靠性。因此，如何有效减少MLCCs中的应变，成为当前研究领域亟待解决的问题。
针对以上难题，近日，西安交通大学电信学部靳立教授团队、联合合作团队创新地提出一种先进的“Weak Polarization-Strain Coupling”策略，用于降低弛豫铁电（RFE）基电介质材料中的电致应变并实现高储能性能、稳定性和循环寿命，以“Ultra-Weak Polarization-Strain Coupling Effect Boosts Capacitive Energy Storage”为题，发表于Advanced Materials期刊。
RFE材料由于超高的极化响应和超低的极化滞回而被广泛应用介电储能领域，其电致应变响应主要由电致伸缩效应主导，电致伸缩系数（Q33）反应了RFE材料中极化-应变耦合的强度。如果能显著降低RFE中极化-应变的耦合关系，即获得超低的Q33，便能显著降低电致伸缩应变及其对MLCC器件的不利影响。团队基于前期总结，认识到“相比于晶体中有序的离子排布，通常无序的离子排布会导致更低的电致伸缩效应”。基于此，团队在(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xPb(Mg1/3Nb2/3)O3成功验证了“Weak Polarization-Strain Coupling”策略，其中，0.55BNT-45PMN组分具有最低的Q33，约为0.012 m4C−2，该组分制备的MLCC在720 kV cm−1电场下获得了14.6 J cm−3和93%的优异储能性能，器件原型在330 kV cm−1的电场下应变响应仅有~0.118%。通过先进的微观结构表征分析，BNT-PMN体系在A位和B位同时具有多种不同价态、不同半径的离子无序排布，既能导致强烈波动的局域电场促进无滞回、大极化响应，也能诱导出强烈的非协同局域晶格畸变导致平均晶胞体积的增大，因此，在电场作用下，产生强烈的离子位移极化的同时而不至于引起剧烈的晶格拉伸，这导致获得超高的可诱导极化响应和较小的电致应变响应。
该论文以深入的实验和理论研究为基础，探讨了超弱极化-应变耦合效应在钙钛矿结构材料中的表现。作者通过系统的实验验证与数值模拟，揭示了这种耦合效应对材料宏观性能的影响，为理解钙钛矿材料中的电致应变行为提供了新的视角。特别是在MLCC材料领域，这一发现可能为开发新型高性能储能器件奠定了新的理论基础，并有望推动相关领域的技术创新。
西安交通大学靳立教授、西北工业大学高峰教授和哈尔滨工业大学王大伟教授为该论文的通讯作者。西安交通大学电子学院青年教师张雷阳博士为该论文的第一作者。其他参与该研究工作的学者包括香港理工大学陈子斌助理教授、天津师范大学的刘士余副教授、澳大利亚卧龙岗大学张树君教授等。该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省重点研发国际合作项目等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202406219
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