近日，東北大學、石家莊鐵道大學、遼寧師范大學組成的研究團隊在鈦酸鍶鋇（Ba0.7Sr0.3TiO3，BST）基弛豫鐵電陶瓷儲能性能優化研究中取得重要進展，該研究以“Grain stress induces the formation of nano-domains in Ba0.7Sr0.3TiO3-based ceramics to enhance the energy storage performance”為題發表在《Journal of Energy Storage》。致真精密儀器自主研發的AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡，為該研究提供了關鍵的微觀結構表征支持，為儲能性能增強機制提供依據。

隨著科技的飛速發展，高性能弛豫鐵電陶瓷電容器在工業電子與消費電子領域均已成為不可或缺的器件。傳統鉛基儲能陶瓷（如 PbZrTiO?）雖在性能上取得顯著進展，但鉛作為有毒重金屬，會造成嚴重的環境與健康風險，因此開發環保型無鉛弛豫鐵電陶瓷成為研究熱點。鈦酸鍶鋇（Ba0.7Sr0.3TiO3，簡稱 BST）因具備優異的鐵電性、低介電損耗及高介電常數，被選為研究的基體材料，不過其相對較低的擊穿強度，成為實現高儲能性能的關鍵挑戰。

本研究的核心策略是以BST為基體，引入具有層狀鈣鈦礦結構的Bi3.25M0.75Ti3O12（M為La, Nd, Sm, Dy等稀土元素）作為弛豫劑。其根本目的在于，通過這種異質結構摻雜，在BST晶格中引入連續且彌散的晶格應變。理論預期，這種應變會破壞材料內部的長程鐵電有序，將其“打碎”成無數個微小的、動態的極性納米區域（PNRs）。這些PNRs在外加電場下可以快速翻轉，從而在獲得高極化的同時，極大地降低能量損耗，并有效抑制電疇的劇烈轉向，最終實現擊穿場強與儲能效率的協同提升。

微觀結構的表征有力地證實了這一設想。通過高分辨透射電鏡的幾何相位分析，可以清晰地看到在BST-BiLT（La摻雜）樣品的晶格中存在著均勻分布的應力場，這與未摻雜的純BST形成了鮮明對比。更重要的是，壓電力顯微鏡的測試結果直接揭示了陶瓷中存在著尺寸為幾納米到幾十納米的細小、彌散的疇結構，這正是理論預測的極性納米區域形成的直接證據。它們的出現，標志著材料從普通鐵電體轉變為弛豫鐵電體，為優異的儲能性能奠定了微觀基礎。

這種微觀結構的優化，最終在宏觀電性能上得到了驚人的體現。在眾多摻雜樣品中，La摻雜的BST-BiLT陶瓷表現最為卓越。它展現出了最高的擊穿場強（~400 kV/cm）和最低的漏電流密度，表明其具備最優的絕緣性能，能夠承受更高的電場。在其鐵電性能上，可以看到非常細長的P-E 回線，這是高最大極化強度和極低剩余極化強度的直觀表現，也是高儲能效率的典型特征。最終，BST-BiLT陶瓷在400 kV/cm的高電場下，實現了3.2 J/cm3的高儲能密度和79% 的儲能效率，其綜合性能遠超其他對比樣品及近年報道的多數BST基陶瓷，充分證明了本研究策略的有效性。

▲所有陶瓷樣品在120 kV/cm下的P-E回線與I-E曲線

本研究成功通過異質結構摻雜（特別是La摻雜），在BST基無鉛陶瓷中誘導產生了晶格應力和極性納米區域。這種從微觀機制入手的材料設計，是實現高擊穿場強、高儲能密度和高效率的關鍵。該工作不僅制備出性能優異的無鉛儲能陶瓷，更為設計下一代高性能介電材料提供了清晰的理論指導和可行的技術路徑。

在本研究中，致真精密儀器AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡通過壓電力響應顯微鏡（PFM）模式，直接觀測到了 BST-BiLT 陶瓷中尺寸為幾納米至幾十納米的極性納米區域（PNRs），其細小、彌散的疇結構證實了弛豫鐵電相的形成，為揭示晶格應力誘導 PNRs 的微觀機制提供了關鍵可視化證據，從而支撐了儲能性能提升的結構起源解釋。

AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡

AtomEdge Pro多功能原子力顯微鏡可對材料、電子器件、生物樣本等進行三維掃描成像，實現亞埃米級形貌表征。具備接觸、輕敲、非接觸等多種工作模式，為用戶提供了更為靈活和精準的操作選擇。此外，它還集成了磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡、掃描開爾文顯微鏡、壓電力顯微鏡等多種功能模式，穩定性強，可拓展性良好。此外可根據用戶需求靈活定制功能模塊，為特定研究領域提供針對性解決方案，實現一機多用的高效檢測平臺。

致真精密儀器

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