[논문 리뷰] A high-energy density antiferroelectric made by interfacial electrostatic engineering

Julia A. Mundy, Colin Heikes외 12명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 22.

Ferroelectric and Piezoelectric Materials참고 문헌 22인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 유전체 기반 매트릭스 내에서 BiFeO3를 원자적으로 정밀하게 봉입하여 불안정한 반fer로전자 상을 안정화하는 표면 전기적 공 ingeneering 기법을 사용하여 납을 포함하지 않는 반fer로전자 물질을 제안한다. 이 구조는 가역적인 전기장 유도 상 전이를 보이며, 최신 납 기반 반fer로전자 물질과 비교할 만한 에너지 저장 성능을 달성하여 고성능이고 환경에 친화적인 유전체를 설계하는 데 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

Dielectric capacitors hold a tremendous advantage for energy storage due to their fast charge/discharge times and stability in comparison to batteries and supercapacitors. A key limitation to today's dielectric capacitors, however, is the low storage capacity of conventional dielectric materials. To mitigate this issue, antiferroelectric materials have been proposed, but relatively few families of antiferroelectric materials have been identified to date. Here, we propose a new design strategy for the construction of lead-free antiferroelectric materials using interfacial electrostatic engineering. We begin with a ferroelectric material with one of the highest known bulk polarizations, BiFeO3. We show that by confining atomically-precise thin layers of BiFeO3 in a dielectric matrix that we can induce a metastable antiferroelectric structure. Application of an electric field reversibly switches between this new phase and a ferroelectric state, in addition, tuning of the dielectric layer causes coexistence of the ferroelectric and antiferroelectric states. Precise engineering of the structure generates an antiferroelectric phase with energy storage comparable to that of the best lead-based materials. The use of electrostatic confinement provides a new pathway for the design of engineered antiferroelectric materials with large and potentially coupled responses.

연구 동기 및 목표

• 기존 유전체의 낮은 에너지 저장 용량 문제를 해결하기 위해 고성능 반fer로전자 물질을 개발하기 위해.
• 실용적인 에너지 저장 응용 분야에 적합한 알려진 반fer로전자 물질, 특히 납을 포함하지 않는 물질의 부족 문제를 해결하기 위해.
• 표면 전기적 봉입을 이용한 새로운 종류의 공 ingeneered 반fer로전자 물질을 설계하기 위해.
• 유해한 납을 사용하지 않고도 최신 납 기반 반fer로전자 물질과 비교할 만한 에너지 저장 밀도를 달성하기 위해.

제안 방법

• 유전체인 SrTiO3 기반 매트릭스 내에서 BiFeO3의 원자적으로 정밀한 초박층을 펄스 레이저 에피택시를 통해 성장시키기 위해.
• 표면 전기적 공 ingeneering을 적용하여 기계적 스트레인과 분극 상호작용을 유도하여 불안정한 반fer로전자 상을 안정화시키기 위해.
• 전기장 하에서의 구조적 및 전자적 전이를 탐색하기 위해 현장 내 투과전자현미경 및 X선 회절을 활용하기 위해.
• BiFeO3 층 두께를 조절하여 반도체 상과 반fer로전자 상의 공존을 제어하기 위해.
• 전자 구조를 모델링하고 공 ingeneered 반fer로전자 상의 안정성을 확인하기 위해 최초 원리 계산을 수행하기 위해.
• 가역적 전이와 에너지 저장 밀도를 확인하고 정량화하기 위해 분극-전기장 히스테리시스 루프를 측정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 전기적 공 ingeneering는 BiFeO3와 같은 납을 포함하지 않는 반도체 산화물에서 불안정한 반fer로전자 상을 안정화시킬 수 있는가?
• RQ2 원자 체계의 층 두께와 표면 공 ingeneering가 BiFeO3에서 반fer로전자성을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 반도체 상과 반fer로전자 상의 공존 상태를 조절하여 에너지 저장 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 공 ingeneered 반fer로전자 상은 고에너지 밀도를 가지며 가역적인 전기장 유도 전이를 보이는가?
• RQ5 납을 포함하지 않는 반fer로전자 물질이 납 기반 물질과 비교할 만한 에너지 저장 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 현장 내 X선 회절 및 전자현미경을 통해 표면 전기적 공 ingeneering를 통해 BiFeO3 박막에서 불안정한 반fer로전자 상이 성공적으로 안정화되었음을 확인하였다.
• 공 ingeneered 이종구조는 반도체 상과 반fer로전자 상 사이의 가역적인 전기장 유도 전이를 보이며 명확한 이중 루프 P-E 히스테리시스를 나타낸다.
• 공 ingeneered 반fer로전자에서 48 mJ/cm³의 에너지 저장 밀도를 달성하였으며, 최신 납 기반 물질과 비교할 만하다.
• BiFeO3 층 두께를 조절함으로써 반도체 상과 반fer로전자 상의 공존 상태를 제어할 수 있었고, 이는 유전율 반응을 향상시켰다.
• 최초 원리 계산을 통해 표면에서의 스트레인과 분극 상호작용으로 인해 안정화된 반fer로전자 상의 전자적 및 구조적 기원을 확인하였다.
• 납을 포함하지 않는 반fer로전자 시스템은 높은 열적 및 전기적 안정성을 보이며 실용적인 콘덴서 응용에 적합하다.