反铁电材料(AFE)具备能量存储密度高、充放电时间快、抗疲劳性好等电学特性,且在电场、温度或应力作用下可以发生丰富的结构相变,因此成为研究新型能源与器件的热点材料。铌镥酸铅(PLN)具有优异的能量储存特性,但其相变临界电场高,材料极易因相变产生的大应变而开裂。本论文针对PLN基反铁电材料存在的问题,通过相界调控手段获得相变临界场适中、电学性能优异的新型反铁电材料。因此,本论文主要研究内容是通过控制材料组分、外加电场、温度及结晶学取向,调控相变电场、相变温度和相变响应时间,研究PLN基反铁电材料可调变的储能密度、充放电时间等电学特性,掌握A/B位离子掺杂、复合对PLN体系的相界调控规律,深入探讨反铁电材料相结构、结晶学取向及其微观结构特征与高储能、快放电等优异电学性能的关联关系。 反铁电单晶是研究反铁电物理机制的重要对象,因此,我们通过顶部籽晶法生长了Na/La共掺杂的PLN单晶,并研究了Na/La共掺对储能和相变特性的影响机制。研究表明,该体系最大的能量存储密度为4.81J/cm3,能量存储效率为82.63%,这远远高于目前所报道的PZ基反铁电单晶。XRD显示该晶体存在两套超晶格衍射点阵,分别为A位反平行排列和B位有序排列导致。另外,Na/La共掺使得PLN反铁电单晶经历了AFE-FEa-FEb的多重相变过程,其中FEa-FEb相变提高了Na/La共掺杂PLN单晶的极化强度(12.5μC/cm2),这极大地提升了反铁电单晶的能量存储密度。最后,采用金兹伯格-朗道-德文希尔理论模型对多重相变行为进行了理论描述。 PLN-xPT陶瓷具有特殊的反铁电-铁电相变行为,我们通过结合各种测试手段获得了初步的二元相图,并对其组分和温度依赖的相变、热释电、退极化温度和能量收集密度进行了系统的研究。热释电数据显示,PT含量为0.06≤x≤0.20时,峰值热释电系数为1.25-4.50μC·cm-2·K-1,热释电峰值温度范围为28-167℃。另外,该体系的能量收集密度高达1.66J/cm3,这远高于目前报到的其它钙钛矿体系。最后,我们通过金兹伯格-朗道-德文希尔唯象理论模型对组分和温度驱动的相变行为进行了详细的理论描述,并获得了温度-电场的理论相图。 通过助熔剂法生长了PLN-0.15PT和PLN-0.20PT两个组分的单晶。XRD显示,PLN-0.15PT单晶为三方相与正交相的混合相结构,而PLN-0.20PT单晶为三方相结构。铁电数据显示两个组分的单晶均具有铁电-反铁电相变特征。热释电测试显示,PLN-0.15PT组分的峰值热释电系数为2.6μC·cm-2·K-1,温度相应区间约为30℃;PLN-0.20PT组分的峰值热释电系数为6.9μC·cm-2·K-1,温度相应区间约为16℃。[001]方向的电畴结构显示,室温下消光角度为45°,表现出了典型的三方相结构特性。当温度升高至250℃时,反铁电畴结构消失,晶体由三方相转变为顺电相,这与出现线性电滞回线的温度是完全吻合的。 通过掺杂、固溶等方式降低反铁电材料的相变电场,是进一步优化其能量存储特性的有效方式。基于此,我们研究了PLN-xPMW反铁电陶瓷,研究发现,该体系最大能量存储密度高达6.43J/cm3,这远远高于目前报到的PZT基反铁电陶瓷材料和其它无铅反铁电陶瓷。其中PLN-0.03PMW组分具有最高的能量存储密度和效率,并且在50-200℃温度范围内展现了非常好的温度稳定性,储能密度可达3.28-6.43J/cm3。结构分析显示该体系具有两套超晶格衍射点阵。充放电测试显示,该组分在20ns内即可释放90%的能量,且没有表现出明显的疲劳现象。最后,通过改性的金兹伯格-朗道-德文希尔唯象理论模型对反铁电陶瓷的温度稳定性和快充放电时间进行了详细的理论描述。 通过助熔剂法生长了PLN-0.05PMW组分的单晶。XRD数据显示,PLN-0.05PMW为典型的正交相结构。变温电滞回线显示,(001)晶面具有较高的反铁电-铁电相变电场和饱和极化强度,剩余极化强度和能量损耗大,导致其有效能量密度很低,而(111)晶面具有更加优异的能量存储特性,例如剩余极化强度小、电滞小、反铁电-铁电相变电场适中。研究PLN-xPMW反铁电单晶中不同取向的晶面在外场作用下的电学特性,获得不同取向单晶的相变电场和极化强度之间的差异,阐明能量存储特性在不同取向晶面的变化规律,为指导设计性能优异的新型反铁电单晶材料提供充足且具体的理论依据。