介电陶瓷由于具有放电速度快、抗疲劳性能好等优点，在电子系统中得到了广泛的应用。然而，低击穿电场导致的低能量密度造成了其较低的体积效率，这是介质陶瓷实际应用面临的主要挑战。
有鉴于此，西安交通大学李飞教授，哈工大常云飞副教授，伍伦贡大学Shujun Zhang教授报道了一种通过控制晶粒取向来增加击穿电场，从而提高多晶陶瓷储能密度的策略。
文章要点
1）研究人员采用模板晶粒生长法来制造具有<111>织构的Na0.5Bi0.5TiO3-Sr0.7Bi0.2TiO3（NBT-SBT）陶瓷。第一步是微米级大纵横比的板状模板的选择和制造，为此，研究人员合成了Ba6Ti17O40板，该板具有层状结构，其层平行于氧八面体的表面；第二步是通过两步拓扑化学微晶转化，将Ba6Ti17O40板通过<111>取向的BaTiO3微板转变为<111>取向的SrTiO3微板。通过流延铸造技术制造了<111>织构和非织构的NBT-SBT多层陶瓷，其中包括十个带有内部Pt电极的NBT-SBT层。
2）SEM显示，单个陶瓷层的厚度约为20μm。X射线衍射图谱显示，两种样品均表现出纯钙钛矿相，而与未织构化的样品相比，<111>织构化的样品显示出（111）衍射峰强度的明显增强。织构化的样品的晶粒具有强烈的<111>优先取向。电子背散射衍射（EBSD）实验进一步证实，与未织构化的样品相比，织构化样品中<111>取向的晶粒明显增加。因此，成功制备出具有高质量的<111>织构的NBT-SBT陶瓷，
3）研究发现，由电场引起的应变大大降低，导致失效概率降低，威布尔（Weibull）击穿强度提高，约为103 mV m-1，比随机取向的同类陶瓷提高了约65%。
4）研究发现，<111>织构化的NBT-SBT多层陶瓷的可恢复能量密度高达21.5 J cm-3，优于目前最新的介电陶瓷。
该研究提供了一种可设计出具有更高击穿强度的介电陶瓷的途径，并有望推动具有高击穿强度的介电陶瓷的广泛应用，例如高压电容器和电热固态冷却设备。
Li, J., Shen, Z., Chen, X. et al. Grain-orientation-engineered multilayer ceramic capacitors for energy storage applications. Nat. Mater. (2020)
DOI：10.1038/s41563-020-0704-x
https://doi.org/10.1038/s41563-020-0704-x
