원자 단위 화학적 이종성 활용 유전체 세라믹

유전체 세라믹에서 국부적인 구조 및 화학적 복잡성을 활용하여 높은 분극, 낮은 이력 손실, 그리고 높은 절연 파괴 강도를 동시에 달성하는 것은 펄스 전력 및 고전압 전자 장치용 유전체 커패시터 발전에 필수적입니다. 본 연구는 강유전성 페로브스카이트 모체에 의도적으로 원자 단위의 화학적 이종성을 도입하여 벌크 무연 세라믹에서 에너지 밀도와 효율을 동시에 향상시키는 효과적인 방법을 제시합니다. 정준 (Bi0.5Na0.5)TiO3 기반 릴랙서 강유전체를 호스트로 사용하여, 평균적인 유사 입방 페로브스카이트 골격을 유지하면서 A/B-아격자 점유 상관관계를 조작함으로써 원자 단위의 화학적 이종성 설계를 제안했습니다. 국부적인 화학 구조에 대한 체계적인 특성 분석 결과, 원자 규모에서 무작위적이지 않은 양이온 배열, 심각한 국부 격자 왜곡, 그리고 정방정계, 능면정계, 사방정계 및 비극성 입방 영역이 공존하는 1~4 나노미터 크기의 초미세 슬러시 형태 다극 나노 도메인이 발견되었습니다. 이러한 나노 규모의 극성 환경은 큰 전기장 유도 분극을 유지하면서 잔류 분극과 이력 현상을 강력하게 억제하여, 74.2 kV/mm의 초고 절연 파괴 강도를 가능하게 합니다. 결과적으로, 최적화된 세라믹은 88%의 효율로 17.4 J/cm3의 회수 가능한 에너지 밀도를 제공하며, 다양한 작동 조건에서 우수한 안정성을 보였습니다. 특히, 높은 전기장 하에서도 10^8회 충방전 주기까지 피로 내구성을 유지했습니다. 이러한 결과는 원자 단위의 화학적 이종성이 초고 에너지 밀도와 고효율을 겸비한 고신뢰성 유전체 세라믹을 위한 강력하고 일반적인 설계 원리임을 입증합니다.