海南大学材料科学与工程学院祁核团队在高熵铁电领域取得新进展

高熵铁电体因其灵活的化学设计、新颖的局域结构特征、优异的综合电学性能而使其成为近年的研究热点。海南大学材料科学与工程学院祁核团队基于2023年在《Nature Reviews Materials》发表的“High-entropy ferroelectric materials”的评论论文后，近期将高熵策略引入到高温压电陶瓷设计领域，成功实现压电性能、绝缘性能和温度稳定性等电学性能的协同提升，为解决居里温度与压电性能难以兼顾的问题提供了途径，在《Advanced Materials》发表了题为“High-entropy High-temperature High-piezoelectricity Ceramics”的研究论文。海南大学材料科学与工程学院吴捷副研究员为第一作者，祁核教授、陈骏教授为论文共同通讯作者。

研究团队在CaBi2Nb2O9基体中引入Na⁺、Ti⁴⁺、Ta⁵⁺等异质原子设计出新型高熵高温压电陶瓷材料，其居里温度保持在900℃以上的同时，压电系数d33提升至30 pC/N以上，同时伴随着良好的温度稳定性以及在750 ℃高温下高电阻率仍大于1.0×10⁶ Ω·cm，其综合电学性能优于已报道的铋层状结构高温压电陶瓷材料。同步辐射X射线衍射、原子对分布函数、球差矫正透射电子显微镜分析发现，在CaBi2Nb2O9中引入高熵策略后，其保持长程正交相结构的同时，高熵效应导致其中部分铋氧层被挤出，诱导其层状结构中形成高密度二维非晶态缺陷。这些纳米级面缺陷打破了传统铋层状材料极化受限于a-b平面的桎梏，让周围的钙钛矿层贡献额外的面外极化，产生了独特的局域极化构型，破坏了基体的长程铁电序，形成小尺寸的不规则铁电畴，为实现高压电性能提供了结构基础；同时，引入高熵策略在局部尺度上有利于降低能垒，促进极化旋转，有利于获得高的压电性能。此外，熵增会导致晶粒细化、电畴纳米化，因此在高熵CaBi2Nb2O9基压电陶瓷中大量的晶界会导致载流子传导距离增加，从而使得陶瓷电阻率增大，实现了综合电学性能的协同优化。

图2 高熵策略调控局域极化构型增强电学性能

与此同时，今年初，团队将熵调控策略引入到反铁电材料中用于优化其储能性能，实现了储能密度和储能效率的协同提升。以及利用核-壳结构中局域极化构型设计，获得了具有优异储能性能的弛豫反铁电陶瓷。两项成果分别以“Design of antiferroelectric polarization configuration for ultrahigh capacitive energy storage via increasing entropy”和“Design of polymorphic heterogeneous shell in relaxor antiferroelectrics for ultrahigh capacitive energy storage” 发表在《Nature Communications》上。

相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202419134

https://doi.org/10.1038/s41467-025-56194-1

标签：结构  性能  电学