[论文解读] A high-energy density antiferroelectric made by interfacial electrostatic engineering

Julia A. Mundy, Colin Heikes+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2018

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 22被引用 7

一句话总结

该论文通过界面静电工程提出了一种无铅反铁电材料，实现了高储能密度，利用在电介质基质中对BiFeO3进行原子级精确限域，稳定了亚稳态反铁电相。所设计的异质结构表现出可逆的场致相变，其储能性能可与最先进的铅基反铁电材料相媲美，为设计高性能、环境友好的电介质材料开辟了新途径。

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.

研究动机与目标

• 通过开发高性能反铁电材料，克服传统电介质储能容量低的问题。
• 解决已知反铁电材料（尤其是无铅材料）稀缺的问题，使其适用于实际储能应用。
• 利用界面静电约束设计一类新型工程化反铁电材料，以稳定亚稳相。
• 在不使用有毒铅的情况下，实现与最佳铅基反铁电材料相当的储能密度。

提出的方法

• 采用脉冲激光外延技术，在电介质SrTiO3基质中生长原子级精确、超薄的BiFeO3层。
• 应用界面静电工程，诱导应变和极化耦合，以稳定亚稳态反铁电相。
• 利用原位透射电子显微镜和X射线衍射，探测电场作用下的结构与电子转变。
• 调节BiFeO3层厚度，以控制铁电相与反铁电相的共存。
• 采用第一性原理计算模拟电子结构，确认所设计反铁电相的稳定性。
• 测量极化-电场滞后回线，以确认可逆切换并量化储能密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 界面静电工程是否能够稳定无铅铁电氧化物BiFeO3中的亚稳态反铁电相？
• RQ2 原子尺度的层厚和界面工程在BiFeO3中诱导反铁电性的角色是什么？
• RQ3 能否通过调控铁电相与反铁电相的共存来增强储能性能？
• RQ4 所设计的反铁电相是否表现出高储能密度的可逆场致相变？
• RQ5 无铅反铁电材料能否实现与铅基材料相当的储能性能？

主要发现

• 通过原位X射线衍射和电子显微镜证实，界面静电工程成功在BiFeO3薄膜中稳定了亚稳态反铁电相。
• 所设计的异质结构在铁电与反铁电状态之间表现出可逆的场致相变，具有清晰的双环P-E滞后回线。
• 所设计的反铁电材料实现了48 mJ/cm³的储能密度，与最佳铅基材料相当。
• 调节BiFeO3层厚度可实现铁电相与反铁电相的可控共存，从而增强介电响应。
• 第一性原理计算证实，界面应变和极化耦合是导致稳定反铁电相的电子与结构起源。
• 无铅反铁电体系表现出高热稳定性和电稳定性，适用于实际电容器应用。