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Multifunctional BaTiO3-Based Relaxor Ferroelectrics toward Excellent Energy Storage Performance and Electrostrictive Strain Benefiting from Crossover Region

电致伸缩 材料科学 储能 渡线 铁电性 凝聚态物理 拉伤 纳米技术 工程物理 复合材料 压电 光电子学 电介质 计算机科学 热力学 工程类 医学 人工智能 功率(物理) 物理 内科学
作者
Yanli Huang,Chunlin Zhao,Bo Wu,Jiagang Wu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (21): 23885-23895 被引量:139
标识
DOI:10.1021/acsami.0c03677
摘要

Lead-free relaxor ferroelectrics (RFEs) exhibit a broader variety of phenomena in comparison with the "canonical" lead-containing compositions, rendering them attractive for newly multifunctional materials with low-cost and eco-friendly processing. Here, guided by the characteristics of relaxor ferroelectrics, lead-free (1 - x)BaTiO3-xKNbO3 systems are conceived and optimized to construct a special crossover region, which brings multiple benefits including tiny hysteresis loss while pursuing high maximum polarization, and large electrostrictive strain with low hysteresis, targeting multifunctional applications of energy storage capacitors, and electrostrictive actuators. We obtained fine-grained 0.96BaTiO3-0.04KNbO3 ceramic with a crossover region where nanodomains and nanosized polar regions with highly dynamic coexist, achieving a large recoverable energy density of 2.03 J/cm3 (300 kV/cm) simultaneously with sky-high charge-discharge efficiency of 94.5%, where low-cost production and environmental issues are warranted. By utilizing the crossover region, superior temperature-stable energy storage capacity (without a drop from 20 to 130 °C) guarantees the practical use. Meanwhile, this strategy favors large electrostrictive strain (0.146%) with ultralow hysteresis in 0.96BT-0.04KN at 80 kV/cm, which is suitable for electrostrictive actuators. It is expected that this strategy will stimulate future studies on lead-free multifunctional RFEs toward energy storage capacitors or electrostrictive actuators with low-cost and environmental compatibility.

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