Synergistic Optimization in a 0.90BaTiO3–0.08Bi(Ni0.5Zr0.5)O3–0.02BiFeO3 Thin Film with High Breakdown Strength and Energy Density

无定形固体 极化(电化学) 薄膜 三元运算 材料科学 电介质 热稳定性 陶瓷 光电子学 纳米技术 结晶学 化学工程 复合材料 计算机科学 物理化学 化学 工程类 程序设计语言
作者
Rui Huang,Hongye Wang,Cheng Tao,Hua Hao,Zhonghua Yao,Hanxing Liu,Minghe Cao
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:10 (33): 11041-11049 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.2c03764
摘要

Amorphous thin films have attracted wide attention owing to their high breakdown strength in the field of dielectric ceramic thin-film energy storage. However, improving the polarization strength has been a great challenge for amorphous films due to the inverse relationship between polarization and breakdown strength. Herein, a concept of ternary synergistic optimization design is proposed and proved to be an effective strategy to improve this challenge. BaTiO3–Bi(Ni0.5Zr0.5)O3–BiFeO3 amorphous films are prepared by a sol–gel method. BaTiO3 is chosen as the main component, taking advantage of its large spontaneous polarization. The introduction of Bi(Ni0.5Zr0.5)O3 facilitates the formation of nanoscale crystalline regions. For BiFeO3, Fe2+ and Fe3+ incorporation into thin films bound oxygen vacancy defects and enhanced the polarization, which further improved the energy storage performance. As a result, 0.90BaTiO3–0.08Bi(Ni0.5Zr0.5)O3–0.02BiFeO3 thin film achieves an energy storage density of 114.3 J cm–3 and energy storage efficiency of 87.0%, together with excellent thermal stability in a temperature range of 20–150 °C. This work provides a universal method to improve the polarization and energy storage properties of amorphous films.
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