Giant power output in lead-free ferroelectrics by shock-induced phase transition

材料科学 铁电性 正交晶系 相变 凝聚态物理 相(物质) 结晶学 电介质 晶体结构 物理 光电子学 化学 量子力学
作者
Zhipeng Gao,Wei Peng,Bin Chen,Simon A. T. Redfern,Ke Wang,Baojin Chu,Qiang He,Yi Sun,Xuefeng Chen,Hengchang Nie,Wen Deng,Lingkong Zhang,Hongliang He,Genshui Wang,Xianlin Dong
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:3 (3) 被引量:26
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.3.035401
摘要

The force-electric effect in ferroelectrics is characterized by the release of bound charge during pressure/shock-induced depolarization. In contrast to other electrical energy storage systems, the charge-storage/release by the force-electric effect of ferroelectrics is determined by polarization switching or polar-nonpolar phase transition. This offers a further set of options for materials design in the realm of energy conversion, especially for the high power density applications. Here, we report that a ferroelectric ceramic, $\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{0.5}\mathrm{B}{\mathrm{i}}_{0.5}\mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_{3}$ (NBT), can generate a high power output $(3.04\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{8}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{W}/\mathrm{kg})$ under shock compression, which is one of the highest values achieved by the force-electric effect. The in situ synchrotron x-ray diffraction studies reveal that this power output mainly arises from a polar-nonpolar phase transition (rhombohedral-orthorhombic). First-principles calculations show that this is a first-order phase transition that undergoes two-step structure changes. These results extend the application of the force-electric effect and are a key step in understanding the phase transition behaviors of NBT under high pressure.
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