无铅Bi4.25La0.75Mg0.5Ti3Hf0.5O15铁电薄膜的晶粒微结构调控与储能性能优化

【编辑推荐】针对介电薄膜电容器极化强度与击穿强度（Eb）的固有矛盾，研究人员通过溶胶-凝胶法制备了弛豫铁电BLTMH薄膜，系统研究了退火温度梯度对微观结构及储能性能的调控作用。优化后的BLTMH-650薄膜实现了58.01 J/cm3的超高储能密度和63.9%的效率，兼具热稳定性（30-160°C）与循环耐久性（>105次），为新一代环保型储能器件提供了可行方案。

　　

随着电动汽车和可再生能源系统的快速发展，高效环保的储能技术成为研究热点。介电电容器因其超高功率密度和快速充放电特性备受关注，但其核心性能参数——可恢复储能密度（W_rec）和效率（η）——受制于极化强度（P_max）与击穿强度（E_b）的此消彼长关系。传统策略如高熵设计、界面工程虽能提升E_b，却难以兼顾高极化响应。针对这一瓶颈，宁波大学等机构的研究人员选择具有本征高E_b特性的铋层状结构铁电体（BLSF）Bi₅Mg_0.5Ti_3.5O₁₅为基底，通过La³⁺位掺杂和Mg²⁺/Hf⁴⁺共取代设计出弛豫铁电材料Bi_4.25La_0.75Mg_0.5Ti₃Hf_0.5O₁₅（BLTMH），并发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

研究采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO₂/Si基底上制备BLTMH薄膜，通过550-700°C梯度退火调控晶粒尺寸与结晶度。XRD和SEM表征显示650°C退火样品（BLTMH-650）形成纳米晶-非晶复合结构，其P_max达58.33 μC/cm²，E_b提升145.2%。

Results and discussion
电滞回线分析表明，BLTMH-650的W_rec达58.06 J/cm³，较550°C样品提升180.8%。这种性能飞跃源于：(1) (Bi₂O₂)²⁺绝缘层抑制电荷迁移；(2) La/Mg/Hf掺杂引入局域电荷异质性，促进弛豫行为；(3) 纳米晶界作为势垒阻碍击穿路径。频率（0.1-10 kHz）和温度（30-160°C）测试显示性能波动<10%，10⁵次循环后储能衰减<5%。

Conclusions
该研究通过晶粒工程实现了BLSF材料P_max与E_b的协同优化，BLTMH-650的储能密度超越多数铅基材料。其意义在于：(1) 为无铅介电薄膜设计提供晶界调控新思路；(2) 验证了稀土掺杂对缺陷浓度和晶格动力学的双重优化作用；(3) 58.01 J/cm³的W_rec使BLTMH薄膜具备脉冲功率系统的应用潜力。作者团队在致谢部分提到该工作获国家自然科学基金（52472126）等资助。