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Field‐Induced Multiscale Polarization Configuration Transitions of Mesentropic Lead‐Free Piezoceramics Achieving Giant Energy Harvesting Performance

压电 材料科学 极化(电化学) 相变 电场 能量收集 智能材料 纳米技术 光电子学 凝聚态物理 能量(信号处理) 复合材料 物理 量子力学 物理化学 化学
作者
Jinfeng Lin,Guanglong Ge,Jiangfan Li,Jin Qian,Kun Zhu,Yongqi Wei,Cheng Shi,Guihui Li,Fei Yan,Wenxu Li,Jialiang Zhang,Jiwei Zhai,Haijun Wu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (42) 被引量:30
标识
DOI:10.1002/adfm.202303965
摘要

Abstract The development of high‐performance (K,Na)NbO 3 (KNN)‐based lead‐free piezoceramics for next‐generation electronic devices is crucial for achieving environmentally sustainable society. However, despite recent improvements in piezoelectric coefficients, correlating their properties to underlying multiscale structures remains a key issue for high‐performance KNN‐based ceramics with complex phase boundaries. Here, this study proposes a medium‐entropy strategy to design “local polymorphic distortion” in conjunction with the construction of uniformly oversize grains in the newly developed KNN solid‐solution, resulting in a novel large‐size hierarchical domain architecture (≈0.7 µm wide). Such a structure not only facilitates polarization rotation but also ensures a large residual polarization, which significantly improves the piezoelectricity (≈3.2 times) and obtains a giant energy harvesting performance ( W out = 2.44 mW, P D = 35.32 µW mm −3 , outperforming most lead‐free piezoceramics). This study confirms the coexistence of multiphase through the atomic‐resolution polarization features and analyzes the domain/phase transition mechanisms using in situ electric field structural characterizations, revealing that the electric field induces highly effective multiscale polarization configuration transitions based on T–O–R sequential phase transitions. This study demonstrates a new strategy for designing high‐performance piezoceramics and facilitates the development of lead‐free piezoceramic materials in energy harvesting applications.

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