Modulating WeaklyCoupled Polar Nanoregions via DomainEngineering for Ultrahigh Energy Density and X9R-Compliant ThermalStability in Bi0.5Na0.5TiO3‑BasedCeramics

材料科学 电介质 陶瓷 电容器 压电响应力显微镜 极地的 功率密度 热稳定性 储能 光电子学 热的 陶瓷电容器 超短脉冲 凝聚态物理 磁滞 铁电陶瓷 数码产品 工程物理 功率(物理) 电容 能量(信号处理) 能量密度 激光器 介电强度 热涨落 铁电性 纳米技术 压电 电力电子 激光功率缩放 热能
作者
Meng-Xue Wang (1392859),Fu-Zheng Xian,Qian Wang (32718),Ying Liu (18461),Chunming Wang
出处
期刊: [Figshare (United Kingdom)]
标识
DOI:10.1021/acsami.6c03248.s001
摘要

Dielectric ceramic capacitors are critical to advanced power electronics by virtue of exceptional power density and rapid charge/discharge capability. However, achieving high energy storage density and efficiency under harsh thermal environments remains a significant challenge. Herein, a domain-engineering strategy is implemented in Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT) ceramics via the incorporation of Ca(Zn1/3Nb2/3)O3 (CZN), which promotes weakly coupled polar nanoregions (PNRs) generating an ergodic relaxor state at ambient temperature. Remarkably, the optimized 0.84BNT–0.16CZN composition achieves a high recoverable energy density (Wrec) of 8.79 J/cm3, efficiency (η) of 84.8% at 584 kV/cm, and an ultrafast discharge time of t0.9 = 27.9 ns, surpassing most reported lead-free ceramics. Piezoresponse force microscopy confirms dynamic PNRs as the origin of superior energy storage behavior. Moreover, this composition maintains excellent temperature stability (20 to 180 °C) with high Wrec (>3.4 J/cm3) and η (>78.2%). Importantly, it exhibits X9R-compliant dielectric stability, enabling reliable operation across extreme temperatures. All these features demonstrate that the 0.84BNT–0.16CZN ceramic is expected to be widely used in next-generation wide-temperature dielectric capacitors.

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