（本網訊）能夠存儲和釋放電荷的鐵電材料因其具有超快的充放電速度及高的功率密度，可作為儲能元件，在電力電子轉換器、新能源汽車及脈沖功率系統中發揮關鍵作用。其中，透明鐵電陶瓷由于能把光、電、力等性能耦合在一起，已成為光纖通信、集成光學和信息處理等領域應用的核心元件之一。隨著各國對含鉛材料的限制，開發可替代含鉛材料的無鉛透明鐵電陶瓷迫在眉睫。但無鉛陶瓷的高擊穿場強、大極化強度及高光學透過率往往難以兼具，導致大多數無鉛陶瓷的儲能密度小、儲能效率低或透明性差，限制了電子元器件面向高性能及多功能化的發展要求。如何保證在擁有高的儲能密度的同時使光學透過率得到進一步提升，是獲得高儲能性能無鉛透明鐵電陶瓷研究的難點之一。
針對以上問題，西安工業大學劉衛國教授研究團隊對新型無鉛儲能透明電子陶瓷展開深入的工作，在新型無鉛KNN基電子陶瓷材料的高儲能密度和光學透過率研究上取得重要進展。該研究采用將第二組元Sr(Sc0.5Nb0.5)O3固溶入K0.5Na0.5NbO3中的方法，制備出(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xSr(Sc0.5Nb0.5)O3透明儲能電子陶瓷。通過調制x值，增加禁帶寬度Eg，增大光電子在材料中發生躍遷的難度；通過調制弛豫程度，將晶粒尺寸降至亞微米級，減少光子穿過材料時的損失，并增大鐵電陶瓷的擊穿場強；通過引入極性納米微區，降低鐵電疇尺寸，加快疇的極性翻轉速度及降低翻轉難度，減小鐵電材料的剩余極化強度，從而提高鐵電陶瓷的儲能密度及功率密度。采用上述方法后，在0.825KNN-0.175SSN陶瓷中實現了最佳儲能特性：W=4.42J/cm3、Wrec=2.67J/cm3，同時實現了優異的透明性，透過率在波長780nm和1378nm時分別達到76.7%和84.5%（圖1）。
圖1.同時提高(1-x)KNN-xSSN鐵電陶瓷儲能密度及透過率的設計方案及0.825KNN-0.175SSN陶瓷的可恢復儲能密度與透過率測試圖。
近日，該工作以“A strategy for high performance of energy storage and transparency in KNN-based ferroelectric ceramics”為題，發表于工程技術領域TOP期刊Chemical Engineering Journal（影響因子：13.273）。該文第一作者為戴中華教授，劉衛國教授、任曉兵教授與戴中華教授為共同通訊作者。西安交通大學前沿技術研究院、日本國立材料研究所及北京交通大學為本文的合作單位。該項研究得到了國家自然科學基金重點項目和陜西省重點研發計劃的經費支持。
劉衛國教授研究團隊致力于光電器件及光學元件制造技術、電子材料與新能源等方向研究，該工作是團隊在交叉領域多項研究成果發表在Chemical Engineering Journal[397:125520(2020);410:128341(2021)],ACS Applied Materials & Interfaces[12:30289(2020)],Advanced Materials[29:1606922(2017)]等國際著名期刊后的又一重要進展。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131959
文：戴中華、王宵 審核：周順 編輯：毛逸彬
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