【摘 要】
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当前,世界能源短缺问题日益严重,高效储能技术备受关注。环保型K0.5Na0.5NbO3薄膜铁电材料因其高功率密度而被广泛应用于脉冲设备,医疗器械等领域,但其储能密度相对较低,导致进一步应用于能量转化和存储领域受到限制,因此提高其储能性能具有重要意义。本文基于相场模型,构建了K0.5Na0.5NbO3薄膜的双轴应变相图,计算了各向异性双轴失配应变(=-1.5%～1.5%,=-1.5%～1.5%)对薄
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当前,世界能源短缺问题日益严重,高效储能技术备受关注。环保型K0.5Na0.5NbO3薄膜铁电材料因其高功率密度而被广泛应用于脉冲设备,医疗器械等领域,但其储能密度相对较低,导致进一步应用于能量转化和存储领域受到限制,因此提高其储能性能具有重要意义。本文基于相场模型,构建了K0.5Na0.5NbO3薄膜的双轴应变相图,计算了各向异性双轴失配应变(=-1.5%～1.5%,=-1.5%～1.5%)对薄膜畴结构和储能性能的影响。结果表明,随着压应变过渡到拉应变,正交相向单斜相转变;较大压应变促进面外3畴生长,较大拉应变促进平面内畴的生长;无论在拉伸应变还是压缩应变下,施加外加电场使得平面内畴全部翻转成平面外畴;随着双轴应变从压应变转变为拉应变,剩余极化强度和矫顽电场有减小的趋势;双轴失配应变相图中3畴所对应的双轴应变对矫顽电场调控更敏感;双轴拉应变下,薄膜平面内畴越多,储能密度和储能效率越高。利用相场模拟分析电场方向及变化速率对K0.5Na0.5NbO3薄膜畴结构的影响,探索电场变化速率对薄膜电滞回线及储能性能的影响。结果表明,电场方向不同致使不同的电畴发生翻转至与电场同向;电场变化速率越大,电畴翻转的滞后效应越明显,且需要更大的电场强度才能使薄膜中的电畴达到最终的稳态;电场变化速率对薄膜中电畴翻转路径以及达到平衡状态后的电畴状态均没有明显影响;随着电场变化速率增大,薄膜的剩余极化强度增大,由于介电损耗的增大,薄膜的储能密度和储能效率明显恶化。当电场变化速率为0.01 V/（m?step）,x轴拉应变为1.3%,y轴拉应变为1.5%时,K0.5Na0.5NbO3薄膜的储能密度和储能效率达到最大值,分别107.67 J/cm~3和95.92%。这对铁电薄膜畴结构的调控及高效储能器件的构筑具有指导意义。
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