小材料，大能量：最新Science探秘弛豫铁电的未来!

【科学背景】

弛豫铁电材料（RFE）是一类重要的介电材料，由于其高能量密度和优异的功率密度，广泛应用于能量存储和高功率电子系统中，因而成为研究热点。然而，现有RFE的能量密度普遍低于200 J/cm³，这限制了其在下一代能量存储设备中的应用潜力。当前，提升能量存储密度的主要挑战在于极化能力不足和击穿电场较低，导致其在实际应用中的可靠性受到影响。

为了解决这一问题，7月11日，清华大学李敬锋教授，北京理工大学黄厚兵研究员和澳大利亚卧龙岗大学张树君教授合作在“Science”期刊上发表了题为“Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability”的最新文章。他们提出了通过化学异质性引入短程有序的极性纳米区域（PNRs）来增强RFE的性能。这一策略使得材料内部形成了极性簇，从而显著提升了可逆极化和击穿强度，进而实现了更高的能量存储能力。

例如，Bi(Mg,Ti)O3-SrTiO3薄膜在这种设计理念的指导下，其能量密度达到了110 J/cm³，效率提升至80%。通过进一步优化PNRs的结构和分布，研究者们期望能够突破现有材料的性能瓶颈，推动RFE在能量存储领域的应用。

【科学亮点】

（1）实验首次实现了在弛豫铁电材料中应用分区极性泥状策略，成功得到具有独立极性簇的高性能Bi(Mg0.5Ti0.5)O3-SrTiO3薄膜。这一创新设计显著提高了材料的能量存储密度和效率。

（2）实验通过相场模拟指导，抑制非极性立方基质并引入高绝缘网络，从而形成了动态的泥状极性簇。这一过程显著增强了可逆极化和击穿强度，使得材料的能量存储密度（Ue）达到202 J/cm³，效率高达约79%。

（3）研究还表明，形成短程有序的极性纳米区域（PNRs）有效降低了极化切换障碍，进而减少了剩余极化（Pr），实现了更高的可恢复极化（ΔP）。

（4）尽管已有研究在PNR结构上取得进展，但通过缩小PNRs以形成极性簇的方式仍面临挑战。该方法虽然能降低Pr，却可能削弱局部极化，影响最大极化（Pm）和ΔP。

【科学图文】

图1：采用隔离极性IPS策略设计具有增强储能性能的RFEs。

图2：研究了三种基于BMT-ST的RFE薄膜的极化、电气和储能性能。

图3：三种基于BMT-ST的RFE薄膜的结构表征。

图4：储能性能的可靠性、稳定性和可扩展性测量。

【科学启迪】

本文的研究为弛豫铁电材料的发展提供了重要价值，尤其是在能量存储领域。首先，通过引入分区极性泥状策略，成功实现了极性簇的独立化，这不仅提高了材料的能量存储密度，也展示了在设计新型介电材料时灵活性的重要性。这种创新的设计理念强调了化学异质性对材料性能的关键作用，为进一步探索极性纳米区域（PNRs）提供了新的思路。

其次，实验中所采用的相场模拟方法，不仅为材料设计提供了科学依据，也展示了计算与实验相结合的重要性。这种方法论的应用为未来新材料的快速开发奠定了基础，尤其是在解决材料内部结构和性能关系时，能够提供深刻的洞见。

此外，研究还指出了在提升材料性能时需解决的技术挑战，如极化开关障碍和绝缘性能的权衡。这一发现提醒我们，在追求高性能的同时，必须综合考虑材料的多种物理特性，以实现最佳的应用效果。

最后，本文的成果不仅推动了高能量密度电容器的技术进步，也为未来在电力电子、智能电网及电动汽车等领域的应用开辟了新的可能性。这种跨学科的研究模式和思路，将进一步促进材料科学与工程技术的融合，为新一代能量存储系统的发展奠定坚实基础。

文献信息：Liang Shu†, Xiaoming Shi, Xin Zhang, Ziqi Yang, Wei Li, Yunpeng Ma, Yi-Xuan Liu, Lisha Liu, Yue-Yu-Shan Cheng, Liyu Wei, Qian Li, Houbing Huang, Shujun Zhang, Jing-Feng Li, Partitioning polar-slush strategy in relaxors leads to large energy-storage capability, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn8721