高熵鐵電體因其靈活的化學(xué)設(shè)計(jì)、新穎的局域結(jié)構(gòu)特征、優(yōu)異的綜合電學(xué)性能而使其成為近年的研究熱點(diǎn)。海南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院祁核團(tuán)隊(duì)基于2023年在《Nature Reviews Materials》發(fā)表的“High-entropy ferroelectric materials”的評(píng)論論文后，近期將高熵策略引入到高溫壓電陶瓷設(shè)計(jì)領(lǐng)域，成功實(shí)現(xiàn)壓電性能、絕緣性能和溫度穩(wěn)定性等電學(xué)性能的協(xié)同提升，為解決居里溫度與壓電性能難以兼顧的問題提供了途徑，在《Advanced Materials》發(fā)表了題為“High-entropy High-temperature High-piezoelectricity Ceramics”的研究論文。海南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院吳捷副研究員為第一作者，祁核教授、陳駿教授為論文共同通訊作者。
研究團(tuán)隊(duì)在CaBi2Nb2O9基體中引入Na?、Ti??、Ta??等異質(zhì)原子設(shè)計(jì)出新型高熵高溫壓電陶瓷材料，其居里溫度保持在900℃以上的同時(shí)，壓電系數(shù)d33提升至30 pC/N以上，同時(shí)伴隨著良好的溫度穩(wěn)定性以及在750 ℃高溫下高電阻率仍大于1.0×10? Ω·cm，其綜合電學(xué)性能優(yōu)于已報(bào)道的鉍層狀結(jié)構(gòu)高溫壓電陶瓷材料。同步輻射X射線衍射、原子對(duì)分布函數(shù)、球差矯正透射電子顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)，在CaBi2Nb2O9中引入高熵策略后，其保持長程正交相結(jié)構(gòu)的同時(shí)，高熵效應(yīng)導(dǎo)致其中部分鉍氧層被擠出，誘導(dǎo)其層狀結(jié)構(gòu)中形成高密度二維非晶態(tài)缺陷。這些納米級(jí)面缺陷打破了傳統(tǒng)鉍層狀材料極化受限于a-b平面的桎梏，讓周圍的鈣鈦礦層貢獻(xiàn)額外的面外極化，產(chǎn)生了獨(dú)特的局域極化構(gòu)型，破壞了基體的長程鐵電序，形成小尺寸的不規(guī)則鐵電疇，為實(shí)現(xiàn)高壓電性能提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；同時(shí)，引入高熵策略在局部尺度上有利于降低能壘，促進(jìn)極化旋轉(zhuǎn)，有利于獲得高的壓電性能。此外，熵增會(huì)導(dǎo)致晶粒細(xì)化、電疇納米化，因此在高熵CaBi2Nb2O9基壓電陶瓷中大量的晶界會(huì)導(dǎo)致載流子傳導(dǎo)距離增加，從而使得陶瓷電阻率增大，實(shí)現(xiàn)了綜合電學(xué)性能的協(xié)同優(yōu)化。
圖2 高熵策略調(diào)控局域極化構(gòu)型增強(qiáng)電學(xué)性能
與此同時(shí)，今年初，團(tuán)隊(duì)將熵調(diào)控策略引入到反鐵電材料中用于優(yōu)化其儲(chǔ)能性能，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率的協(xié)同提升。以及利用核-殼結(jié)構(gòu)中局域極化構(gòu)型設(shè)計(jì)，獲得了具有優(yōu)異儲(chǔ)能性能的弛豫反鐵電陶瓷。兩項(xiàng)成果分別以“Design of antiferroelectric polarization configuration for ultrahigh capacitive energy storage via increasing entropy”和“Design of polymorphic heterogeneous shell in relaxor antiferroelectrics for ultrahigh capacitive energy storage” 發(fā)表在《Nature Communications》上。
相關(guān)研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202419134
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56194-1
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56316-9
來源：海南大學(xué)
原文鏈接：https://news.hainanu.edu.cn/info/1005/391151.htm
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