第30卷第9期 2011年9月
特约专栏
中国材料进展 MATERIALSCHINA
Vol. 30No.9 Sep.2011
钙钛矿型Pb基反铁电储能材料研究进展
王瑶，邓元
（北京航空航天大学化学与环境学院，北京100191）
摘要：反铁电材料在发生场致反铁电-铁电相变过程中伴随着巨大应变和能量的储存和释放，故在高密度储能器件和机电换能器上极具应用潜力。综述了具有钙钛矿结构的Pb基反铁电体结构特点与性能测控，特别是Pb(Zr，Ti)O，（PZT)基反铁电储能材料的研究进展与存在问题。重点讨论了儿类典型元素掺杂Pb基反铁电薄膜材料研究的最新进展。简要介绍了适应无铅化要求、环境友好的无铝钙钛矿型反铁电-铁电相变材料。最后对当前钙钛矿型Pb基反铁电材料研究与应用中尚需深入探究的问题进行了总结。
关键词：反铁电材料；钙钛矿；储能；相变
中图分类号：TM221
文献标识码：A
文章编号：16743962(2011)09005105
Progress on the Studies of Perovskite Pb-Based AntiferroelectricEnergyStorageMaterials
WANGYao,DENGYuan
( School of Chemistry and Environment, Beihang University , Beijing 100191, China)
Abstract: The antiferroelectric materials are accompanied by huge strain and energy storage and release in the process of field-induced antiferroelectric-ferroelectric phase transition, which make them great potential in high-density energy storage devices and electromechanical transducers. An overview is given on the structure features and properties improvement of perovskite Pb-base antiferroelectric materials. The research progress as well as the problems on Pb (Zr, Ti) O, ( PZT)-based antiferoelectric material are reviewed. Particularly , several types of doped PZT-based antiferroelectric thin films that receive extensive attention are mainly discussed. To meet the environmental requirements, lead-free perovskite antiferro-electric-ferroelectric phase change materials are introduced. Finally, some issues that worth further exploration are summa-rized and coresponding prospects are proposed on the research and application developments of the antiferroelectric per-ovskite Pb-based materials.
Key wOrds : antiferroelectric; perovskite; energy storage: phase transition
1前言
作为铁电材料的一类分支，反铁电体直到1951年才由美国科学家KittleC根据宏观唯象理论提出，并预言了其基本特征(1)。在目前已经发现的约40多种反铁电材料中，钙钛矿结构的Pb(Zr，Ti)O，基化合物是最具有应用价值的一类反铁电材料，也是当今国内外研究的热点(2-3)。反铁电体因其相邻的偶极矩反平行排列，宏观并不表现出自发极化，但在外电场作用下会发生反铁电（AFE）-铁电（FE）相变，出现特征的双电滞回线，如图1所示。对相变后的铁电体，通过加热或加压等方
收稿日期：201108-01
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51002006）；科技部863
计划项目（2009AA03Z322）
通信作者：邓元，男，1972年生，教授，博士生导师
式可使其回复为反铁电体。该过程伴随着极大的应力变化和高密度电荷脱间释放的现象，因而反铁电体成为应用于高密度储能电容器的优秀候选材料。图2为反铁电材料与铁电材料储能过程。当施加在铁电电容器的电场撤掉时，由于铁电体较大的剩余极化，大部分充电输人的能量W，被存储在材料中，只有很小一部分W，被释放；而对于反铁电电容器，当电场降为零，极化也降至零，材料不储存多余能量，除去很小一部分Wr因极化转向发热的损耗外，输入能量的大部分W以电能释放。反铁电体在足够电场作用下转变为铁电体，这便是一个储能的过程；当电场强度逐步减小到零，铁电相变为反铁电相，这就是一个释能过程(4)。
由于相变储能材料具有储能密度高、储能放能近似等温、过程易控制等特点，能够解决能量供求在时间和空间上分配不平衡的矛盾，是提高能源利用率的有效手段，也是储存可再生能源的有效方式之一。它在航空航