Giant energy density and high efficiency achieved in bismuth ferrite-based film capacitors via domain engineering

电容器 铁氧体(磁铁) 材料科学 能量密度 铋铁氧体 光电子学 工程物理 冶金 复合材料 电气工程 工程类 铁电性 电压 多铁性 电介质
作者
Hao Pan,Jing Ma,Ji Ma,Qinghua Zhang,Xiaozhi Liu,Bo Guan,Lin Gu,Xin Zhang,Yujun Zhang,Liangliang Li,Yang Shen,Yuanhua Lin,Ce‐Wen Nan
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:9 (1): 1813-1813 被引量:555
标识
DOI:10.1038/s41467-018-04189-6
摘要

Developing high-performance film dielectrics for capacitive energy storage has been a great challenge for modern electrical devices. Despite good results obtained in lead titanate-based dielectrics, lead-free alternatives are strongly desirable due to environmental concerns. Here we demonstrate that giant energy densities of ~70 J cm-3, together with high efficiency as well as excellent cycling and thermal stability, can be achieved in lead-free bismuth ferrite-strontium titanate solid-solution films through domain engineering. It is revealed that the incorporation of strontium titanate transforms the ferroelectric micro-domains of bismuth ferrite into highly-dynamic polar nano-regions, resulting in a ferroelectric to relaxor-ferroelectric transition with concurrently improved energy density and efficiency. Additionally, the introduction of strontium titanate greatly improves the electrical insulation and breakdown strength of the films by suppressing the formation of oxygen vacancies. This work opens up a feasible and propagable route, i.e., domain engineering, to systematically develop new lead-free dielectrics for energy storage.
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