反铁电(AFE)材料由于其潜在的多功能性而受到广泛关注。铪酸铅(PbHfO₃)作为AFE材料的典型代表之一，具有丰富的相变特性以及优异的储能和电卡性能，使其有望成为实现AFE材料多功能化的侯选材料。但其较差的烧结特性和较高的相变电场一直制约着该材料的发展与应用。为克服此局限性，同时基于该材料潜在的多功能性，近日，西安交通大学的任巍教授和西蒙菲莎大学的叶作光教授带领团队采用协同设计策略，开发了一种新型的(1-x)PbHfO₃-xPb(Zn_1/2W_1/2)O₃[缩写为(1-x)PHf-xPZnW] AFE-AFE固溶体。通过在PHf基体中掺入PZnW，利用其中的铁电活性离子诱导大的极化，通过液相烧结降低烧结温度和促进致密化，并通过偶极子受挫机制软化AFE有序，从而开发出在低电场下具有高性能的新型PHf基AFE材料。从实验和理论两个方面对所设计材料的晶体结构、微观结构、储能和应变性能以及相变行为进行了系统的研究。x = 0.05的固溶体陶瓷在相对较低的电场下(200 kV/cm)获得了较高的储能密度(5.03 J/cm³)和较大的应变(0.60%)。唯象理论模型从能量角度解释了该固溶体中AFE相和FE相结构的相对稳定性，并将获得的优异性能与引起极化和应变急剧变化的AFE-FE相变联系起来，揭示了该固溶体获得高储能和大应变的微观机理。这项工作不仅为高能量存储和大应变的应用提供了一种新型的AFE候选材料，更重要的是，为通过软化AFE有序来设计具有多功能性的高性能AFE材料打开了一扇新的大门。

该成果以“Synergistic design of a new PbHfO₃-based antiferroelectric solid solution with high energy storage and large strain performances under low electric fields”为题，发表在英国皇家化学会期刊Journal of Materials Chemistry A上，并入选为Hot Article。

论文通讯作者为西安交通大学刘增辉副教授和西蒙菲莎大学叶作光教授，论文第一作者是西安交通大学博士研究生万红艳，参与研究的还包括西安交通大学的任巍教授、张楠教授、牛刚教授、李璟睿特聘研究员和德国达姆斯塔特工业大学的卓芳平博士等。本研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省博士后基金等项目的支持。

• Synergistic design of a new PbHfO₃-based antiferroelectric solid solution with high energy storage and large strain performances under low electric fields
  Wan H, Liu Z, Zhuo F, Xi J, Gao P, Zheng K, Jiang L, Xu J, Li J, Zhang J, Zhuang J, Niu G, Zhang N, Ren W, Ye Z-G

J. Mater. Chem. A., 2023, 11(46): 25484-25496
https://doi.org/10.1039/D3TA05425J

图1 新型(1-x)PHf-xPZnW AFE-AFE固溶体实现低电场高性能的设计思路

图2 (1-x)PHf-xPZnW固溶体的储能和应变性能

图3 (1-x)PHf-xPZnW固溶体反铁电有序的软化机制

图4 (1-x)PHf-xPZnW固溶体的唯象理论模型

图5 (1-x)PHf-xPZnW固溶体的结构相变

图6 (1-x)PHf-xPZnW固溶体的组分-温度相图