反铁电(AFE)材料因其独特的结构和极化/应变-电场响应，在多功能器件中展现出了巨大的应用潜力。与典型的PbZrO₃ 基AFE材料相比，PbHfO₃具有成分简单、结构调控灵活等优点逐渐获得了关注。然而，长期以来实现PbHfO₃的多功能性应用一直未取得成功，这主要是由于其较差的烧结性和较低的介电击穿强度，使其在室温下难以实现AFE-FE相变。为解决这一问题，研究者们提出了两种主要策略。一种是通过化学修饰软化AFE-FE相变。另一种方法是采用不同的方法制备薄/厚膜。虽然通过这些方法在PbHfO₃基AFE材料中获得了较高的储能密度，但其所需的工艺较为复杂，设备昂贵。PbHfO₃基AFE材料除了具有良好的储能性能外，预计还会产生较大的电场诱导的应变，但由于缺乏高质量的样品，目前还没有相关的实验数据。此外，PbHfO₃的晶体结构目前还存在很大争议，特别是其在高温下的具体结构信息尚不明确。因此，开发PbHfO₃的潜在多功能应用并阐明其结构特征具有重要意义。

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报告了一种简单有效的策略，即通过调控铅过量以引入液相烧结机制获得了精细致密的PbHfO₃陶瓷。结果表明，PbHfO₃陶瓷样品在室温下可以获得了较高的储能密度(W_reco = 7.29 J/cm³)和较大的应变(0.51%)，同时该陶瓷的性能在25 ~ 175 °C范围内具有良好的温度稳定性。此外，该材料在 400~600 °C温度范围内呈现负电阻温度系数。这些优异的性能赋予了PbHfO₃反铁电陶瓷在高储能电容器、大位移致动器以及温度传感器和补偿器等方面的巨大应用潜力。

结构研究表明，PbHfO₃在升温过程中经历了AFE_I(O₁), Pbam→中间相(IM)→PE_C, 的相变顺序。在160 ~ 200 °C之间存在的IM相是一种具有正交Imma对称性的AFE相，且Pb²⁺位移引起的非公度调制以一种局部结构的方式嵌套在平均的Imma结构中。该IM相的反铁电性可能来源于氧八面体的扭转和与Pb²⁺位移相关的非公度调制的共同作用。结合高温X射线衍射、高温同步辐射、高温拉曼、透射电镜、介电温谱和阻抗谱以及第一性原理密度泛函理论计算揭示了PbHfO₃陶瓷优异性能来源于其在较宽温度范围内具有超高的极化强度和稳定的反铁电性质以及在足够高的电场作用下的AFE(Pbam)→FE(R3c)相变。

相关工作以题为“High strain and energy-storage density across a wide temperature range in fine PbHfO₃ ceramics”的研究性文章发表在材料领域权威杂志Acta Materialia。

论文通讯作者为西安交通大学刘增辉副教授、李璟睿特聘研究员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张楠教授、牛刚教授和华中科技大学的姜胜林教授等。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。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.119715