Bi系双晶格位无序弛豫体极化响应、电荷输运行为及宽温区储能特性研究

Double-site-disorder relaxors contain the mixtures of ferroelectric and non-ferroelectric active ions on the A- and B-site. They show the unhysteretic P (polarization) – E (electric field) loops and thermal stable energy storage properties near the temperature Tm for the anomaly of the dielectric constant. However, the related polarization and charge transport mechanisms have not been fully understood. The two solid solution systems of Bi0.5Na0.5TiO3-Bi(Ti0.5Mg0.5)O3-SrTiO3 (BNT-BTM-ST) and Bi0.5Na0.5TiO3-Bi(Ti0.5Mg0.5)O3–SrTiO3 (BKT-BTM-ST) have been designed. Firstly, this project intend to prepare the two solid solution ceramics, study the relations between the polar orderings and the compositions, cystal structures and microstructures, and find the compositions which are double-site-disorder relaxors. Secondly, this project plan to reveal the nature of dielectric response, the polarization response mechanism and charge transport properties in electric fields for the double-site-disorder relaxor compositions. Finally, this project will build relationships between the parameters for the energy storage properties and electric fields, temperatures and frequencies, and find the main factors on the thermal stable energy storage properties. The results of the project will supply the theoretical base for the obtaining of novel temperature-independent energy-storage materials with high energy storage density, and further understand the nature of double-site-disorder relaxors.

A晶格位和B晶格位同时存在铁电活性离子和非铁电活性离子的双晶格位无序弛豫体在介电常数极值附近具有无（或微小）滞后的极化强度-电场曲线，可表现出储能密度的温度稳定性，然而，与之相关的极化机理和电荷输运机制尚不明确。本项目设计了BNT-BTM-ST和BKT-BTM-ST两种固溶体系。在此基础上，拟合成高电阻率、高致密度的BNT-BTM-ST和BKT-BTM-ST陶瓷，研究这两种体系极化序与组分、晶体结构与微观组织的关系，确定处于双晶格位无序弛豫态的组分。进一步地，研究双晶格位无序弛豫体的介电响应行为、强场极化响应特性和电荷转移行为，建立表征储能特性参数与电场、温度、频率的动力学关系，揭示影响储能密度温度特性的内在物理机制。本项目的研究，不光可以为开发新型高储能密度温度稳定性材料提供理论支持，还能为进一步认识双晶位无序弛豫体提供科学依据。

A晶位和B晶位同时存在铁电活性离子和非铁电活性离子的双晶位无序弛豫体在介电常数极值附近具有无（或微小）滞后的极化强度-电场曲线，可表现出储能密度的温度稳定性，然而，与之相关的极化机理和电荷输运机制尚不明确。.本项目首次研究了ST-BMT结构、介电行为、强场极化特性和储能特性。研究发现，5 mol% BMT的引入导致极性序由量子顺电态发展至弛豫铁电态，且伴随四方局域结构的产生。该体系固溶度高，随BMT含量增加，晶格常数增加。偶极激活能较高，且介电常数在一定温区变化幅度缓慢。ST-BMT的晶格常数演变规律和极化演变规律与处于立方区域的BT-BMT有着极高的相似性。.基于0.5BKT-0.5ST，本项目设计了四种双晶位无序弛豫铁电体系BKT-ST-BMT、BKT-ST-BMN、BKT-ST-BMZ和BKT-ST-BZT，其储能密度均优于0.5BKT-0.5ST。BKT-ST-BZT体系储能特性最优。该体系在室温下保持立方相，随BZT的引入，晶格常数减小。扫描电镜显示，晶粒与BKT相似，同为长方体结构。随BZT含量增加，晶粒尺寸升高明显。介电常数与温度关系表明，所有组分表现出弛豫铁电体特征。BZT的引入降低了冷冻温度，提升了偶极激活能，拓宽了禁带宽度。 最佳组分0.95(BKT-ST)-0.05BZT，不仅具有高的储能密度（3. 07 J/cm3）和储能效率（> 88%）,也同时具有储能密度温度稳定性，储能密度在30 – 150 oC的浮动仅为~ 3%。该组分的强场极化行为与热激活的极性纳米微区相关。.本项目获得了的最佳组分的性能指标超过了预期目标，证明了 BKT 基固溶体陶瓷在储能电介质领域的研究价值。在此基础上，本研究找到了获得储能特性温度稳定性弛豫铁电体所需要满足的条件：（1）、 宽禁带宽度，电导性由本征载流子贡献；（2）、偶极之间作用弱；（3）、 宽温区的热遍历弛豫态， 保证在宽的温区内极化响应均由热激活的极性纳米微区贡献，为开发新型储能特性温度稳定性弛豫铁电体提供了参考方向。