Проектирование каркаса из октаэдров кислорода для высокоемких релаксоров

Меньше, быстрее, чище хранение энергии

Современные гаджеты, электромобили и медицинское оборудование зависят от компонентов, которые могут за доли секунды накапливать и отдавать электрическую энергию. Лучшие на сегодня высокомощные конденсаторы часто основаны на свинцовых материалах, что вызывает экологические опасения. В этом исследовании представлен новый подход к проектированию безсвинцовых керамических конденсаторов, позволяющий упаковать много энергии в небольшой объём с минимальными потерями в виде тепла — шаг в сторону более экологичной и компактной электроники питания.

Почему обычные конденсаторы упираются в пределы

Многие передовые конденсаторы изготовлены из ферроэлектрических керамик, в которых внутренние электрические диполи могут переворачиваться при приложении внешнего напряжения. В обычных ферроэлектриках эти диполи собираются в большие, упорядоченные области — домены. Такая упорядоченность даёт сильный отклик на электрическое поле, но также означает, что переворот доменов требует дополнительной энергии. На графике поляризация–электрическое поле это проявляется в виде широкого, прямоугольного гистерезиса — признак того, что много вводимой энергии теряется, а не возвращается. Для будущих устройств инженерам нужны материалы, которые сильно поляризуются при высоком напряжении, но быстро и чисто расслабляются при снятии поля.

Превращение доменов в «мятую» ландшафтную среду

Одним из многообещающих путей является использование так называемых релаксоров, где поляризация разбивается на множество крошечных «полярных нанорегионов» вместо больших доменов. Такие материалы естественно демонстрируют более узкие петли и лучшую эффективность, но обычный способ их получения — добавление неактивных атомов — часто ослабляет общую поляризацию. Авторы решают эту компромиссную задачу иначе: сохранить большинство «ферроактивных» атомов, сильно реагирующих на поле, и вместо этого настроить, как окружающие атомы кислорода наклоняются внутри кристаллической решётки. В их безсвинцовой системе, основанной на Bi_0.5Na_0.5TiO₃ (BNT) и AgNbO₃ (AN), они целенаправленно нарушают дальнодействующую упорядоченность этих наклонов кислородных октаэдров. Это создаёт мозаику крошечных областей, где как поляризация, так и наклон меняются на расстояниях всего в несколько миллиардных долей метра.

Как наклонённые кислородные «клетки» управляют поляризацией

Используя набор высокоразрешающих методов электронной микроскопии и рентгеновских исследований, команда визуализировала смещения атомов в этой специально спроектированной керамике. Они обнаружили «сливоподобные» полярные нанорегионы размером всего 1–3 нанометра, соединённые плотными границами слегка искажённой кристаллической структуры. В этих областях диполи направлены в разные стороны, но сохраняют значительную локальную силу благодаря высокому содержанию отзывчивых катионов, таких как Bi, Na, Ag, Ti и Nb. Одновременно кислородные октаэдры — клеткоподобные блоки, окружающие центральные металлические атомы — показывают смесь часовoго и противочасового наклонов с разными углами. Такая неупорядоченная картина наклонов генерирует крошечные нерегулярные деформации в решётке, которые действуют как пружины: они препятствуют внезапному росту больших доменов и мягко втягивают поляризацию обратно при снятии поля.

От атомного беспорядка к превосходным характеристикам

Тщательно разработанный «каркас» из наклонов кислорода даёт два ключевых эффекта при приложенном напряжении. Во‑первых, слабое взаимодействие между соседними нанорегионами позволяет им быстро переориентироваться, обеспечивая большую суммарную поляризацию до наступления насыщения. Во‑вторых, случайные упругие поля от беспорядка наклонов откладывают момент, когда все диполи выравниваются полностью, расширяя полезный диапазон электрического поля. В совокупности эти особенности дают очень узкую петлю поляризация–поле с высокой максимальной поляризацией и практически нулевой остаточной поляризацией после выключения поля. В измерениях оптимального состава, обозначенного как 0.8BNT–0.2AN, материал достиг восстанавливаемой плотности энергии около 17 джоулей на кубический сантиметр при КПД примерно 86% в высоком электрическом поле — показатели, которые сопоставимы или превосходят многие современные безсвинцовые керамики.

Что это значит для электроники будущего

Для неспециалиста суть в том, что авторы нашли способ заставить электрические диполи в керамике вести себя скорее как отзывчивая, упругая жидкость, чем как жёсткое громоздкое твердое тело — не теряя при этом силы. Переработав «каркас» из кислорода внутри безсвинцового перовскитного кристалла, они создали плотный лес наноразмерных полярных областей, которые быстро заряжаются и разряжаются, хранят много энергии и теряют её очень мало. Подход с каркасом из кислородных октаэдров открывает новый, более экологичный путь к компактным и надёжным конденсаторам для импульсной электроники — от электромобилей до продвинутых медицинских устройств.

Цитирование: Liu, Y., Li, H., Wu, J. et al. Oxygen octahedron framework design for large energy capacitive relaxors. Nat Commun 17, 2812 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69282-7

Ключевые слова: безсвинцовые конденсаторы, релаксорные ферроэлектрики, керамика для накопления энергии, полярные нанорегионы, перовскитовые оксиды