具有高储能密度、高储能效率及优秀热稳定性的材料是宽温域高储能密度薄膜电容器的基础，是近年来学术界和产业界研究的热点。电容器的储能密度与介电常数、击穿场强的平方成正比。然而，在单一材料中，决定电容器储能特性的击穿场强和介电常数成反比，也就是说很难在单一材料中实现高储能特性。
针对这一问题，我们利用生长温度调控薄膜的形核速率和生长速率，在0.85BaTiO3-0.15Bi(Mg0.5Zr0.5)O3（BT-BMZ）外延薄膜中实现了块状亚晶、纤维状亚晶和柱状亚晶三种亚晶结构，研究发现柱状亚晶结构的面外倾转能够有效地延迟极化饱和，弱化电畴的协同耦合，细化电滞回线，降低能量损耗。同时，亚晶粒的面内旋转能够阻碍电子的传输，提高薄膜的击穿场强。二者的协同作用使得BT-BMZ单层薄膜在-100~200oC的宽温域内的储能密度高达61.78 J/cm3，且储能效率在这一工作温区一直保持在74%以上。亚晶调控是基于晶体形核和生长速率之间的竞争实现的，方法简单易控，具有很强的普适性。该方法为优化单一材料的储能特性提供了一个全新的思路。
上述研究成果以《通过亚晶修饰在无铅介电薄膜中同时实现高储能密度和高储能效率》(Realizing High Energy Density and Efficiency Simultaneously via Sub-Grain Modification in Lead-free Dielectric Film) 为题发表在《Nano Energy》上，该工作是材料学院博士生胡天翼在马春蕊教授指导下完成的。感谢微电子学院刘明教授在性能表征、样品制备方面的支持，感谢微电子学院的贾春林教授、马传生工程师在微观结构表征方面的支持。材料学院马春蕊教授为该文章的通讯作者。西安交通大学金属强度国家重点实验室为该论文的第一作者和通讯作者单位。该研究得到国家自然科学基金、国家“973”项目等项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107313
研究团队主页链接：
https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/chunrui.ma
原文始发于微信公众号（西安交通大学材料学院）：科研动态 | 我院科研人员在无铅介电储能薄膜电容器领域取得重要进展
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