缺陷工程调控Sr0.7 Bi0.2 TiO3 无铅弛豫铁电薄膜的超高储能性能

为解决无铅弛豫铁电薄膜中Bi元素挥发导致的缺陷问题，研究人员通过Mn掺杂调控Sr0.7 Bi0.2 TiO3 （SBT）薄膜的缺陷结构，实现了126 J/cm3 的超高储能密度。该研究揭示了Mn2+ 与氧空位形成的缺陷偶极子对抑制漏电流和提升击穿场强的关键作用，为高性能储能器件设计提供了新思路。

　　

随着电子器件向微型化、环保化发展，无铅弛豫铁电材料因其低剩余极化和高介电常数成为储能电容器的理想候选。然而，以Sr_0.7
Bi_0.2
TiO₃
（SBT）为代表的薄膜在制备过程中面临Bi元素挥发导致的化学计量比失衡问题，由此产生的钛空位（V_Ti
）和氧空位（V_O
）会显著降低材料击穿场强和储能性能。针对这一挑战，国内研究人员通过Mn掺杂结合过量Bi补偿策略，在SBT薄膜中实现了缺陷调控与性能突破。

研究团队采用溶胶-凝胶法制备了Mn掺杂SBT薄膜，通过X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（EPR）分析化学环境，结合扫描透射电子显微镜（STEM）观察纳米晶粒结构，并测试了薄膜的极化-电场（P-E）回线及储能特性。

3.1 储能性能提升
Mn掺杂使SBT-3Mn薄膜的击穿场强提升至5328 kV/cm，储能密度达126 J/cm³
，较未掺杂薄膜提高1984%。频率（0.5-10 kHz）和温度（25-150°C）稳定性测试表明其具备实际应用潜力。

3.2 化学环境调控
XPS显示Mn掺杂后金属Bi峰消失，氧空位比例从36%降至25%。EPR证实Mn以Mn²⁺
为主占据B位，与V_O
形成缺陷偶极子（Mn_Ti
^″
-V_O
^··
）^×
，有效抑制载流子迁移。

3.3 微观结构特征
STEM揭示薄膜由10-20 nm纳米晶组成，单个晶粒内呈现"类浆态"单畴结构。Mn掺杂进一步细化晶粒至<10 nm，高密度晶界作为物理屏障提升了击穿场强。

该研究通过多价态Mn掺杂实现了三重调控：1）平衡过量Bi引入的电荷缺陷；2）形成缺陷偶极子固定氧空位；3）纳米晶粒尺寸效应促进弛豫特性。所获SBT-3Mn薄膜兼具超高储能密度和优异稳定性，为无铅铁电储能材料设计提供了可推广的缺陷工程策略。论文发表于《Journal of Materiomics》，其化学修饰思路可拓展至其他含挥发性元素的铁电体系。