Ultrahigh–energy density lead-free dielectric films via polymorphic nanodomain design

电介质 电容器 材料科学 储能 能量密度 极化(电化学) 光电子学 纳米技术 电压 工程物理 电气工程 化学 物理 工程类 量子力学 物理化学 功率(物理)
作者
Hao Pan,Fei Li,Yao Liu,Qinghua Zhang,Meng Wang,Shun Lan,Yunpeng Zheng,Jing Ma,Lin Gu,Yang Shen,Pu Yu,Shujun Zhang,Long‐Qing Chen,Yuanhua Lin,Ce‐Wen Nan
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:365 (6453): 578-582 被引量:1068
标识
DOI:10.1126/science.aaw8109
摘要

Dielectric capacitors with ultrahigh power densities are fundamental energy storage components in electrical and electronic systems. However, a long-standing challenge is improving their energy densities. We report dielectrics with ultrahigh energy densities designed with polymorphic nanodomains. Guided by phase-field simulations, we conceived and synthesized lead-free BiFeO3-BaTiO3-SrTiO3 solid-solution films to realize the coexistence of rhombohedral and tetragonal nanodomains embedded in a cubic matrix. We obtained minimized hysteresis while maintaining high polarization and achieved a high energy density of 112 joules per cubic centimeter with a high energy efficiency of ~80%. This approach should be generalizable for designing high-performance dielectrics and other functional materials that benefit from nanoscale domain structure manipulation.
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