Dual‐Phase Design Enables High Capacitive Energy‐Storage Capacity Under Moderate Electric Fields in Relaxor Ferroelectric Ceramics

材料科学 陶瓷 电场 电介质 极化(电化学) 弛豫铁电体 电容感应 铁电陶瓷 钙钛矿(结构) 复合材料 光电子学 介电常数 纳米尺度 铁电性 工程物理 极化密度 凝聚态物理 高-κ电介质 相(物质) 极地的 介电强度 储能 电极 材料设计 微观结构 电容器 激发极化 压电 消散 纳米-
作者
Zheng Zhang,Jiaju Zhang,Zhigang Zhou,Wangfeng Bai,Peng Zheng,Qiaolan Fan,Shiting Wu,Ting Wang,Hongyan Liang,Weijun Zhu,Xuxia Shi,Yong Li,Jiwei Zhai
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:22 (29): e14261-e14261
标识
DOI:10.1002/smll.202514261
摘要

ABSTRACT Advanced electronic systems rely heavily on the development of high‐performance dielectric ceramic capacitors. However, achieving simultaneous improvements in both recoverable energy density ( W rec ) and efficiency ( η ) under moderate electric fields remains a significant challenge for practical applications. In this study, we engineer a dual‐phase perovskite structure in (Bi 0.5 Na 0.5 )TiO 3 ‐based ceramics through an in situ phase separation to address this issue. The resulting grain‐separated dual‐phase ceramics exhibit two interacting relaxor phases with distinct nanoscale polar structures and heterogeneous stress, resulting in large polarization, low polarization hysteresis, and delayed polarization saturation. Additionally, a relatively high breakdown strength is achieved through an increased bandgap, reduced oxygen vacancy concentration, and enhanced electrical homogeneity, complemented by the dual‐phase structure, which increases the length and the meandering of the electrical‐tree propagation path. As a result, the optimized dual‐phase ceramic exhibits exceptional overall performance, with a high energy‐storage coefficient of 0.014 µC/cm 2 accompanied by a large W rec of 5.84 J/cm 3 and an ultrahigh η of 92% under 420 kV/cm, along with excellent stability, and robust charge–discharge characteristics. This study presents a practical strategy for designing high‐performance dielectric energy‐storage ceramics that operate under moderate electric fields, providing valuable insights for tailoring functional properties in ferroelectrics.
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