（本网讯）能够存储和释放电荷的铁电材料因其具有超快的充放电速度及高的功率密度，可作为储能元件，在电力电子转换器、新能源汽车及脉冲功率系统中发挥关键作用。其中，透明铁电陶瓷由于能把光、电、力等性能耦合在一起，已成为光纤通信、集成光学和信息处理等领域应用的核心元件之一。随着各国对含铅材料的限制，开发可替代含铅材料的无铅透明铁电陶瓷迫在眉睫。但无铅陶瓷的高击穿场强、大极化强度及高光学透过率往往难以兼具，导致大多数无铅陶瓷的储能密度小、储能效率低或透明性差，限制了电子元器件面向高性能及多功能化的发展要求。如何保证在拥有高的储能密度的同时使光学透过率得到进一步提升，是获得高储能性能无铅透明铁电陶瓷研究的难点之一。

针对以上问题，西安工业大学刘卫国教授研究团队对新型无铅储能透明电子陶瓷展开深入的工作，在新型无铅KNN基电子陶瓷材料的高储能密度和光学透过率研究上取得重要进展。该研究采用将第二组元Sr(Sc_0.5Nb_0.5)O₃固溶入K_0.5Na_0.5NbO₃中的方法，制备出(1-x)K_0.5Na_0.5NbO₃-xSr(Sc_0.5Nb_0.5)O₃透明储能电子陶瓷。通过调制x值，增加禁带宽度E_g，增大光电子在材料中发生跃迁的难度；通过调制弛豫程度，将晶粒尺寸降至亚微米级，减少光子穿过材料时的损失，并增大铁电陶瓷的击穿场强；通过引入极性纳米微区，降低铁电畴尺寸，加快畴的极性翻转速度及降低翻转难度，减小铁电材料的剩余极化强度，从而提高铁电陶瓷的储能密度及功率密度。采用上述方法后，在0.825KNN-0.175SSN陶瓷中实现了最佳储能特性：W=4.42J/cm³、W_rec=2.67J/cm³，同时实现了优异的透明性，透过率在波长780nm和1378nm时分别达到76.7%和84.5%（图1）。

图1.同时提高(1-x)KNN-xSSN铁电陶瓷储能密度及透过率的设计方案及0.825KNN-0.175SSN陶瓷的可恢复储能密度与透过率测试图。

近日，该工作以“A strategy for high performance of energy storage and transparency in KNN-based ferroelectric ceramics”为题，发表于工程技术领域TOP期刊Chemical Engineering Journal（影响因子：13.273）。该文第一作者为戴中华教授，刘卫国教授、任晓兵教授与戴中华教授为共同通讯作者。西安交通大学前沿技术研究院、日本国立材料研究所及北京交通大学为本文的合作单位。该项研究得到了国家自然科学基金重点项目和陕西省重点研发计划的经费支持。

刘卫国教授研究团队致力于光电器件及光学元件制造技术、电子材料与新能源等方向研究，该工作是团队在交叉领域多项研究成果发表在Chemical Engineering Journal[397:125520(2020);410:128341(2021)],ACS Applied Materials & Interfaces[12:30289(2020)],Advanced Materials[29:1606922(2017)]等国际著名期刊后的又一重要进展。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131959

文：戴中华、王宵  审核：周顺  编辑：毛逸彬