Superior Energy Storage Performance in Antiferroelectric Epitaxial Thin Films via Structural Heterogeneity and Orientation Control

材料科学 电容器 电介质 反铁电性 光电子学 储能 磁滞 纳米技术 电压 铁电性 凝聚态物理 电气工程 功率(物理) 物理 量子力学 工程类
作者
Tianfu Zhang,Yangyang Si,Shiqing Deng,Hailin Wang,Tao Wang,Junda Shao,Yijie Li,Xudong Li,Qianxin Chen,Chenhan Liu,Gaokuo Zhong,Yan Huang,Jun Wei,Lang Chen,Sujit Das,Zuhuang Chen
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (4) 被引量:11
标识
DOI:10.1002/adfm.202311160
摘要

Abstract Dielectric capacitors are desired for electronics and electrical power systems because of their fast charge–discharge speed and high‐power density. Nevertheless, dielectric capacitors typically exhibit lower energy densities in comparison to other energy storage systems like batteries or fuel cells. Among dielectrics, antiferroelectrics have shown great promise for high energy density because of their characteristic double hysteresis loops. However, current antiferroelectric capacitors still face challenges of low efficiency and low breakdown strength due to their large hysteresis, which is harmful to energy efficiency and reliability of the system. Herein, by engineering the nanoscale heterogeneity to mitigate hysteresis and controlling orientation to enhance the polarization, the exceptional energy storage performance of antiferroelectric (Pb 0.97 La 0.02 )(Zr 0.55 Sn 0.45 )O 3 epitaxial thin films is demonstrated. Atomic‐resolution transmission electron microscopy and X‐ray reciprocal space mapping confirm the presence of nanoscale structural heterogeneity, characterized by fragmented antipolar nanodomains. These films exhibit remarkable energy densities, reaching up to ≈84.5 J cm −3 , coupled with ultrahigh efficiencies of up to ≈98.5% and superior stability, maintaining efficiencies above 92% across a wide field range of ≈5 MV cm −1 . Notably, these findings surpass the capabilities of previously reported dielectric materials, opening new avenues for advanced energy storage applications.
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