近日，東北大學(xué)、石家莊鐵道大學(xué)、遼寧師范大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)在鈦酸鍶鋇（Ba0.7Sr0.3TiO3，BST）基弛豫鐵電陶瓷儲能性能優(yōu)化研究中取得重要進(jìn)展，該研究以“Grain stress induces the formation of nano-domains in Ba0.7Sr0.3TiO3-based ceramics to enhance the energy storage performance”為題發(fā)表在《Journal of Energy Storage》。致真精密儀器自主研發(fā)的AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡，為該研究提供了關(guān)鍵的微觀結(jié)構(gòu)表征支持，為儲能性能增強(qiáng)機(jī)制提供依據(jù)。

隨著科技的飛速發(fā)展，高性能弛豫鐵電陶瓷電容器在工業(yè)電子與消費(fèi)電子領(lǐng)域均已成為不可或缺的器件。傳統(tǒng)鉛基儲能陶瓷（如 PbZrTiO?）雖在性能上取得顯著進(jìn)展，但鉛作為有毒重金屬，會造成嚴(yán)重的環(huán)境與健康風(fēng)險(xiǎn)，因此開發(fā)環(huán)保型無鉛弛豫鐵電陶瓷成為研究熱點(diǎn)。鈦酸鍶鋇（Ba0.7Sr0.3TiO3，簡稱 BST）因具備優(yōu)異的鐵電性、低介電損耗及高介電常數(shù)，被選為研究的基體材料，不過其相對較低的擊穿強(qiáng)度，成為實(shí)現(xiàn)高儲能性能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

本研究的核心策略是以BST為基體，引入具有層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Bi3.25M0.75Ti3O12（M為La, Nd, Sm, Dy等稀土元素）作為弛豫劑。其根本目的在于，通過這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)摻雜，在BST晶格中引入連續(xù)且彌散的晶格應(yīng)變。理論預(yù)期，這種應(yīng)變會破壞材料內(nèi)部的長程鐵電有序，將其“打碎”成無數(shù)個(gè)微小的、動態(tài)的極性納米區(qū)域（PNRs）。這些PNRs在外加電場下可以快速翻轉(zhuǎn)，從而在獲得高極化的同時(shí)，極大地降低能量損耗，并有效抑制電疇的劇烈轉(zhuǎn)向，最終實(shí)現(xiàn)擊穿場強(qiáng)與儲能效率的協(xié)同提升。

微觀結(jié)構(gòu)的表征有力地證實(shí)了這一設(shè)想。通過高分辨透射電鏡的幾何相位分析，可以清晰地看到在BST-BiLT（La摻雜）樣品的晶格中存在著均勻分布的應(yīng)力場，這與未摻雜的純BST形成了鮮明對比。更重要的是，壓電力顯微鏡的測試結(jié)果直接揭示了陶瓷中存在著尺寸為幾納米到幾十納米的細(xì)小、彌散的疇結(jié)構(gòu)，這正是理論預(yù)測的極性納米區(qū)域形成的直接證據(jù)。它們的出現(xiàn)，標(biāo)志著材料從普通鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)槌谠ヨF電體，為優(yōu)異的儲能性能奠定了微觀基礎(chǔ)。

這種微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，最終在宏觀電性能上得到了驚人的體現(xiàn)。在眾多摻雜樣品中，La摻雜的BST-BiLT陶瓷表現(xiàn)最為卓越。它展現(xiàn)出了最高的擊穿場強(qiáng)（~400 kV/cm）和最低的漏電流密度，表明其具備最優(yōu)的絕緣性能，能夠承受更高的電場。在其鐵電性能上，可以看到非常細(xì)長的P-E 回線，這是高最大極化強(qiáng)度和極低剩余極化強(qiáng)度的直觀表現(xiàn)，也是高儲能效率的典型特征。最終，BST-BiLT陶瓷在400 kV/cm的高電場下，實(shí)現(xiàn)了3.2 J/cm3的高儲能密度和79% 的儲能效率，其綜合性能遠(yuǎn)超其他對比樣品及近年報(bào)道的多數(shù)BST基陶瓷，充分證明了本研究策略的有效性。

▲所有陶瓷樣品在120 kV/cm下的P-E回線與I-E曲線

本研究成功通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)摻雜（特別是La摻雜），在BST基無鉛陶瓷中誘導(dǎo)產(chǎn)生了晶格應(yīng)力和極性納米區(qū)域。這種從微觀機(jī)制入手的材料設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)高擊穿場強(qiáng)、高儲能密度和高效率的關(guān)鍵。該工作不僅制備出性能優(yōu)異的無鉛儲能陶瓷，更為設(shè)計(jì)下一代高性能介電材料提供了清晰的理論指導(dǎo)和可行的技術(shù)路徑。

在本研究中，致真精密儀器AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡通過壓電力響應(yīng)顯微鏡（PFM）模式，直接觀測到了 BST-BiLT 陶瓷中尺寸為幾納米至幾十納米的極性納米區(qū)域（PNRs），其細(xì)小、彌散的疇結(jié)構(gòu)證實(shí)了弛豫鐵電相的形成，為揭示晶格應(yīng)力誘導(dǎo) PNRs 的微觀機(jī)制提供了關(guān)鍵可視化證據(jù)，從而支撐了儲能性能提升的結(jié)構(gòu)起源解釋。

AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡

AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡可對材料、電子器件、生物樣本等進(jìn)行三維掃描成像，實(shí)現(xiàn)亞埃米級形貌表征。具備接觸、輕敲、非接觸等多種工作模式，為用戶提供了更為靈活和精準(zhǔn)的操作選擇。此外，它還集成了磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡、掃描開爾文顯微鏡、壓電力顯微鏡等多種功能模式，穩(wěn)定性強(qiáng)，可拓展性良好。此外可根據(jù)用戶需求靈活定制功能模塊，為特定研究領(lǐng)域提供針對性解決方案，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的高效檢測平臺。

致真精密儀器

致真精密儀器致力于實(shí)現(xiàn)高端科學(xué)儀器和集成電路測試設(shè)備的自主可控和國產(chǎn)替代。

致真精密儀器通過工程化與產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)，已成功研發(fā)出一系列應(yīng)用于磁學(xué)、自旋電子學(xué)、納米形貌表征等領(lǐng)域的前沿科研設(shè)備，包括“原子力顯微鏡、高精度VSM、磁光克爾顯微鏡等磁學(xué)測量設(shè)備、各類磁場探針臺、低溫強(qiáng)磁場光學(xué)測量平臺、磁性芯片測試機(jī)等產(chǎn)線級設(shè)備”等，如有需要，我們的產(chǎn)品專家可以提供免費(fèi)的項(xiàng)目申報(bào)輔助、產(chǎn)品調(diào)研與報(bào)價(jià)、采購論證工作，期待與您更深入的交流與合作！