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Relaxor Ferroelectric Ca‐Doped (K,Na,Li)NbO3 Single‐Crystal Microcubes with Suppressed Defects and Tunable Symmetry for Flexible High‐Power Capacitors

材料科学 自然键轨道 铁电性 电容器 兴奋剂 凝聚态物理 单晶 对称(几何) 光电子学 结晶学 密度泛函理论 电介质 电气工程 电压 化学 计算化学 物理 几何学 数学 工程类
作者
Hyunsuk Jeong,Seonhwa Park,C. Lee,Guannan Yang,Hyunseok Song,Geon‐Tae Hwang,Mahesh Peddigari,Dong Choon Hyun,Jungho Ryu,Jong Wook Roh,Yuho Min
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202513315
摘要

Abstract Single‐crystal relaxor ferroelectrics (RFEs) offer high polarization, slim hysteresis, and superior breakdown strength, making them ideal for advanced dielectric energy storage. However, scalable synthesis of lead‐free single crystals remains challenging. Here, a molten‐salt strategy is employed to synthesize Ca‐doped (K 0.432 Na 0.528 Li 0.04 ) 1‐x Ca 4x/3 Nb 1‐x/3 O 3 (KNLN‐xCa, x = 0, 0.01, and 0.03) single‐crystal microcubes with tunable crystal symmetry and defect concentration. The KNLN‐0.01Ca single‐crystal exhibits relaxor behavior with a recoverable energy density of 2.66 J cm −3 and an efficiency of 78.7% at 100 kV cm −1 . In contrast, the ceramic counterpart shows classical ferroelectric features, highlighting the critical role of the crystallization pathway. Dislocation‐driven nanodomain formation during oriented attachment is identified as the primary mechanism inducing relaxor behavior, independent of chemical disorder. Incorporation of the KNLN‐0.01Ca microcubes into a polydimethylsiloxane (PDMS) matrix produces a flexible composite capacitor with a breakdown strength of 350 kV cm −1 , a recoverable energy density of 5.76 J cm −3 , and an efficiency of 88%. Under pulsed discharge conditions, the device delivers a discharge energy density of 1.4 J cm −3 with a fast discharge time (≈20 ns) and high‐power density (70 MW cm −3 ). These findings demonstrate a crystallographically engineered, defect‐modulated, and process‐scalable route to high‐performance, lead‐free RFEs for next‐generation flexible energy storage devices.
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