Exploring the Pb1−xSrxHfO3 System and Potential for High Capacitive Energy Storage Density and Efficiency

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作者
Megha Acharya,Ella Banyas,Maya Ramesh,Yizhe Jiang,Abel Fernández,Arvind Dasgupta,Handong Ling,Brendan Hanrahan,Kristin A. Persson,Jeffrey B. Neaton,Lane W. Martin
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (1): e2105967-e2105967 被引量:66
标识
DOI:10.1002/adma.202105967
摘要

Abstract The hafnate perovskites PbHfO 3 (antiferroelectric) and SrHfO 3 (“potential” ferroelectric) are studied as epitaxial thin films on SrTiO 3 (001) substrates with the added opportunity of observing a morphotropic phase boundary (MPB) in the Pb 1− x Sr x HfO 3 system. The resulting (240)‐oriented PbHfO 3 ( Pba 2) films exhibited antiferroelectric switching with a saturation polarization ≈53 µC cm −2 at 1.6 MV cm −1 , weak‐field dielectric constant ≈186 at 298 K, and an antiferroelectric‐to‐paraelectric phase transition at ≈518 K. (002)‐oriented SrHfO 3 films exhibited neither ferroelectric behavior nor evidence of a polar P 4 mm phase . Instead, the SrHfO 3 films exhibited a weak‐field dielectric constant ≈25 at 298 K and no signs of a structural transition to a polar phase as a function of temperature (77–623 K) and electric field (–3 to 3 MV cm −1 ). While the lack of ferroelectric order in SrHfO 3 removes the potential for MPB, structural and property evolution of the Pb 1− x Sr x HfO 3 (0 ≤ x < 1) system is explored. Strontium alloying increased the electric‐breakdown strength ( E B ) and decreased hysteresis loss, thus enhancing the capacitive energy storage density ( U r ) and efficiency (η). The composition, Pb 0.5 Sr 0.5 HfO 3 produced the best combination of E B = 5.12 ± 0.5 MV cm −1 , U r = 77 ± 5 J cm −3 , and η = 97 ± 2%, well out‐performing PbHfO 3 and other antiferroelectric oxides.
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