Antiferoelektrični materiali za hladilne in energetske elektronske aplikacije
Oznaka in naziv projekta
J2-4464 Antiferoelektrični materiali za hladilne in energetske elektronske aplikacije
J2-4464 "Antiferroelectric materials for cooling and high power electronic applications"
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: Nikola Novak
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Publikacije: JUREČIČ, Vida, FULANOVIĆ, Lovro, KORUZA, Jurij, BOBNAR, Vid, NOVAK, Nikola. Synergetic boost of functional properties near critical end points in antiferroelectric systems. Physical review materials. Nov. 2023, vol. 7, iss. 11, str. 114407-114415, ilustr. ISSN 2475-9953. https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.7.114407, DOI: doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.7.114407. [COBISS.SI-ID 173741315]
Vsebinski opis projekta
Vsebinski opis projekta Edinstvene dielektrične in polarizacijske lastnosti v odvisnosti od električnega polja so vzrok, da so antiferoelektrični materiali zanimivi in potencialni kandidati za uporabo le-teh v kondenzatorjih z visoko energijsko gostoto. Kljub svoji edinstvenosti je na trgu le en keramičen antiferoelektrični kondenzator z visoko gostoto energije. Vzrok za to je slabo razumevanje in nepoznavanje mehanizmov in medsebojne interakcije med podmrežno polarizacijsko sklopitvijo, temperaturo in električnim poljem. Podmrežna polarizacijska sklopitev opisuje interakcije med antiparalelnima podmrežnima polarizacijama v antiferoelektriku in s tem definira lastnosti z električnim poljem induciranega faznega prehoda in spreminjanje polarizacijske ureditve v antiferoelektriku. Lastnosti antiferoelektričnega-feroelektričnega faznega prehoda pa neposredno vplivajo na funkcionalne lastnosti, kot sta dielektrični odziv in zmožnost shranjevanja energije. Medtem ko na elektrokalorični odziv vpliva polarna ureditev, ki definira dipolarno entropijo sistema in posledično izvor inverznega/negativnega elektrokaloričnega pojava. Cilj tega projekta je raziskati vpliv antiferoelektrične polarizacijske sklopitve na funkcionalne lastnosti antiferoelektrikov. Rezultati in dognanja bodo pripomogli k boljšemu razumevanju izvora inverznega elektrokaloričnega pojava, kako tudi obnašanje dielektričnega odziva pod električnim poljem. Raziskali bomo povezavo med funkcionalnimi lastnostmi antiferroelektrikov in naravo antiferoelektričnega-feroelektričnega faznega prehoda. Ob prisotnosti električnega polja lahko fazni prehod prvega reda preide v fazni prehod drugega reda. Točka v kateri se spremeni narava faznega prehoda imenujemo kritična točka. V relaksorskih in feroelektričnih materialih je bilo pokazano da bližina kritične točke vpliva na ojačitev dielektričnega, piezoelektričnega in elektrokaloričnega odziva. Zato je tudi smotrno pričakovati, da bo kritična točka v antiferoelektičnih materialih vplivala na polarno ureditev in posledično na dielektrični odziv, elektrokalorični pojav in sposobnost shranjevanja energije. Uspešna izvedba projekta bo zagotovilo nova znanja o polarnem urejanju v antiferoelektrikih, ki so izjemnega pomena za razvoja novih kondenzatorjev z ojačenimi funkcionalnimi lastnostmi. Istočasno pa bo razvoj antiferoelektrikov omogočilo razvoj potrebnih elektronskih elementov za novo zeleno tehnologijo prihodnosti. Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza: Sinteza materiala Za prototipski antiferoelektrični sistem na osnovi svinčevega cirkonata (PZ) je značilno visoko kritično električno polje, potrebno za induciranje antiferoelektričnega-feroelektričnega (AFE-FE) faznega prehoda. Zato bo za zmanjšanje kritičnega polja faznega prehoda AFE-FE uporabljena metoda kemične modifikacije. To nam bo omogočilo, da raziščemo cilje projekta. V prvi fazi projekta bomo pripravili antiferoelecktično keramiko na osnovi svinčevega cirkonata dopiranega z Ba. Z induciranjem Ba v PZ sistem se zmanjša kritično polje za induciranje feroelektrične faze v, kakor tudi Curieva temperatura. Pripravljen material bo strukturno in mikrostrukurno karakteriaziaran. Uporabljene tehnike za realizacijo nalog bodo rentgenska difrakcija, elektronska mikroskopija in transmisijska elektronska mikroskopija.
2. Faza: Vpliv antiferoelektričnega sklopitvenega faktorja na električne lastnosti Funkcionalne lastnosti antiferoelektričnih materialov so tesno povezane z antiferoelektričnim polarnim stanjem, ki ga določa antiferoelektrični sklopitveni faktor. Zato bo razjasnitev vedenja antiferoelektričnega sklopitvenega faktorja, kot funkcija temperature in električnega polja, zagotovila boljše razumevanje osnovnih fizikalnih mehanizmov, ki so odgovorni za zanimive funkcionalne lastnosti antiferoelektrikov. Vpliv antiferoelektričnega sklopitvenega faktorja bomo preučevali s pomočjo meritev polarizacijskega in dielektričnega odziva pod vplivom zunanjega električnega polja in temperature. Uporabljene eksperimentalne tehnike so Sawyer-Tower metoda, dielektrična spektroskopija in dielektrična spektroskopija pod električnim poljem.
3. Faza: Koncept kritičnosti v antiferoelektričnih materialih V bližini kritične točke postane minimum proste energije zelo plitek kar močno vpliva na polarno stanje in funkcionalne lastnosti materiala. Za relaksorje in feroelektrike je bilo dokazano, da koncept kritičnosti bistveno izboljša funkcionalne lastnosti materiala. Razumno je pričakovati, da bo enak učinek opažen tudi pri antiferoelektričnih materialih vendar natančneje še vpliv kritičnosti na funkcionalne lastnosti v antiferoelektrikih ni bil študiran. Za določitev prisotnosti kritične točke v antiferoelektričnem sistemu bomo uporabili termometrijske meritve sprostitve latentne toplote pri induciranju feroelektrične faze, kakor tudi meritve toplotne kapacitete. Odziv funkcionalnih lastnosti kot so elektrokalorični odziv, shranjevanje energije in nastavljivost dielektrične konstante z električnim poljem bodo analizirani v bližini kritične točke in s tem omogočili določitev vpliva kritične točke na lastnosti.
Summary of the project: Antiferroelectric materials for cooling and high-power electronic applications The unique electric field-dependent dielectric and polarization properties make antiferroelectric materials potential candidates for high energy density capacitors, high power snubbers, and electrocaloric coolants. Despite their uniqueness, there is only one lead-based antiferroelectric high energy density capacitor on the market and the reason for this is the lack of understanding of the mechanisms and relations between the antiferroelectric coupling strength and externally applied electric field. The antiferroelectric coupling strength describes the interactions between the antiparallel sublattice polarizations and defines the properties of the electric field-induced phase transition and the polar state of antiferroelectric under the applied electric field. The properties of the field-induced phase transition govern the increase of the dielectric response with the electric field and energy storage properties. On the other hand, the polar state of antiferroelectric defines the dipolar entropy and consequently the origin of the inverse electrocaloric effect. In this proposal, we aim to investigate the relations between the functional properties of antiferroelectrics and antiferroelectric coupling strength. The results of the proposal will reveal the fundamental understanding of the origin of the inverse electrocaloric effect as well as the unique dielectric response. We will investigate the functional properties of the antiferroelectrics and their relation to the nature of the electric field-induced phase transition. By applying an external electric field, a first-order phase transition can be driven towards a second-order phase transition, i.e. critical point, where functional properties such as dielectric, piezoelectric, and electrocaloric coefficient diverge. Hence, if the system is operating in the vicinity of the critical point the electric field-induced tunability of dielectric constant, energy storage, and electrocaloric properties should be enhanced. Successful implementation of the project will provide a fundamental understanding of the underlying physical mechanisms responsible for the unique functional properties of antiferroelectrics, which is essential for developing new antiferroelectric materials that are needed for emerging new green technologies. The work plan of the project: 1. Phase: Material synthesis The prototype antiferroelectric lead zirconate (PZ) is characterized by a high critical electric field needed to induce the antiferroelectric-ferroelectric (AFE-FE) phase transition. Therefore, a chemical modification method will be used to reduce the critical field of the AFE-FE phase transition. This will allow us to investigate the objectives of the project. In the first phase of the project, we will prepare antiferroelectric ceramics based on PZ doped with Ba. By introducing Ba into the PZ system, we reduce the critical electric field of the phase transition and also Curie temperature. The structural and microstructural properties of prepared ceramics will be investigated using XRD, scattering electron microscopy, and transmission electron microscopy. 2. Phase: Influence of antiferroelectric coupling strength on electrical properties The functional properties of antiferroelectric materials are intimately related to the antiferroelctric polar state, which is determined by the antiferroelectric coupling strength. Hence, the elucidation of the temperature and electric field-dependent behavior of antiferroelectric coupling strength will provide a deeper insight and understanding of the underlying physical mechanisms responsible for intriguing functional properties. Once the antiferroelectric ground-state polarization will be determined, then the polarization hysteresis loops will be recorded. Over the polarization hysteresis loops, the polarization changing rate with the electric field will be determined. By combining the ground state polarization value and the polarization changing rate the evolution of the sublattice polarization as a function of temperature and electric field will be determined. In addition, the in-situ electric field-dependent impedance measurement will be performed. The temperature-dependent electric field dielectric loops will be used to determine their relationship with the field-induced phase transition. 3. Phase: Criticality in antiferroelectric materials Flattening of the free energy surface in the vicinity of the critical point strongly affects the polar state and functional properties of a material. For relaxors and ferroelectrics was demonstrated that the concept of criticality significantly enhances the functional properties of a material. It is reasonable that the same effect will be observed in antiferroelectric materials. Therefore, it is crucial to investigate the impact of critical point on functional properties. To verify the existence of the critical point the thermometry measurement will be employed to study the presence of the latent heat at field-induced AFE-FE phase transition as well as heat capacity measurements. The functional properties such as dielectric tunability, energy storage, and electrocaloric properties will be measured and correlated with the electric field-temperature phase diagram to reveal the impact of the critical point.