Effect of grain size and grain boundary on the energy storage performance of polycrystalline ferroelectrics

晶界 微晶 粒度 材料科学 储能 晶界强化 凝聚态物理 冶金 工程物理 热力学 物理 微观结构 功率(物理)
作者
Zihe Wang,Chengwen Bin,Sizheng Zheng,Jie Wang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:125 (15)
标识
DOI:10.1063/5.0229392
摘要

Dielectric capacitors based on polycrystalline ferroelectrics have attracted much attention due to their significant power density and fast charge–discharge speed. The energy storage performance of polycrystalline ferroelectrics is highly dependent on the grain size and grain boundary. Here, the effect of grain size and grain boundary on the domain structures and polarization–electric field (P–E) hysteresis loops of polycrystalline ferroelectrics are investigated by using a phase-field model based on the time dependent Ginzburg–Landau (TDGL) equation. It is found that the depolarization field in the grain boundary induces the vortex domain when the grain size is reduced or the grain boundary thickness increases in certain extent, resulting in slender P–E loops, which contributes to an improvement in the energy storage efficiency and density. However, as the grain size further decreases or the grain boundary thickness further increases, the energy storage density decreases, which is attributed to the concurrent reduction in both the remnant and saturation polarizations. This study provides a considerable insight for optimizing the energy storage performance by carefully adjusting the grain size and grain boundary thickness in polycrystalline ferroelectrics.
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