Design relaxorových antiferroelektrických keramik pro skladování energie (TRACES)

Autor (řešitel)
Poskytovatel a program
GAČR » International Lead Agency
Datum zahájení
1. 4. 2024
Datum ukončení
31. 3. 2027
Registrační číslo
24-10699K
Jednou z největších výzev při výrobě energie z obnovitelných zdrojů je, jak ukládat vyrobenou energii, která neustále kolísá. Vývoj inovativních materiálů pro lepší skladování energii s dobrou teplotní stabilitou je proto nezbytný pro mnoho aplikace. Nové modely popisující energetickou hustotu a účinnost antiferoelektrických materiálů jsou povzbuzující pro dosažení dobrých skladovacích vlastností v malých, lehkých, levných a ekologických součástech. V tomto slovinsko-českém projektu navrhujeme vývoj účinných ekologických antiferoelektrických materiálů se zlepšenou hustotou energie a vyšší účinností skladování pro zařízení na uchovávání čisté a obnovitelné energie. Bude zaveden cílený doping a mikrostrukturní řízení, aby se vyvolalo relaxační/antiferoelektrické chování a přispělo ke snížení energetických ztrát. Proof-of- concept vícevrstvé kondenzátory budou navrženy na základě strukturální charakterizace napříč různých délkových měřítek a studii mřížkové dynamiky, s podporou simulaci a modelování.

Novinky

  • Prezentace výsledků formou posteru na mezinárodní konferenci FerroSchool v Lublaňi, Slovinsko, 21. listopadu 2024. DOI: 0.13140/RG.2.2.19216.93447
  • Prezentace výsledků formou posteru na mezinárodní konferenci UFFC-ISAF Joint Symposium, září 2024, Taipei DOI: 0.13140/RG.2.2.11122.11205
  • Přednáška a poster na mezinárodní konferenci Isydma’9 in Marrakesh, 7. května 2025
Elena Buixaderas
Mezinárodní konference Isydma’9 in Marrakesh, květen 2025.

Hlavní řešitele projektu & tým

Elena Buixaderas
Mojca Otoničar

Dr. Elena Buixaderas
Fyzikální ústav AV ČR
Praha, Česko

Dr. Mojca Otoničar
                             Jožef Stefan Institute                             
Lublaň, Slovinsko

FZU tým
FZU tým projektu TRACES.

Významné výsledky

 

Studium fononů přes sekvenci fázových přechodů v antiferoelektrickém monokrystalu

Phonon studies of the phase transition sequence in antiferroelectric single crystal of Pb(Hf0.83Sn0.17)O3
Anirudh K R, Cosme Milesi-Brault, Christelle Kadlec, Dmitry Nuzhnyy, Andrzej Majchrowski, Magdalena Krupska-Klimczak, Irena Jankowska-Sumara and Elena Buixaderas
Journal of Applied Physics 138, 104101 (2025).

Výzkum antiferoelektrických vlastností monokrystalu Pb(Hf,Sn)O3 napomáhá pokroku v oblasti materiálů pro akumulaci energie. Publikovaný článek si klade za cíl lépe porozumět mřížkové dynamice a různým fononům, které způsobují exotické fázové přechody tohoto systému, včetně dosud neznámé mezifáze při vysokých teplotách.

Sekvence fázových přechodů v PbHf0.83Sn0.17O3 (PHS-17) byla studována pomocí THz, daleké infračervené a Ramanovy spektroskopie. Spektroskopická měření odhalila komplementární chování polárních a nepolárních fononů a jejich vliv na celkovou mřížkovou dynamiku. Bylo zjištěno, že sekvence fázových přechodů PHS-17 při ochlazování probíhá následovně: PE → IM → AFE2 → AFE1.

Analýza na základě symetrie a optická pozorování ukazují, že mezifáze IM má pravděpodobně tetragonální symetrii a je řízena polární nestabilitou v centru Brillouinovy zóny. Dynamika domén naznačuje, že přítomnost Sn vyvolává vznik IM fáze s charakteristickým „tweed“ obrazcem. Celková transformace z kubické paraelektrické fáze (PE) do konečné antiferoelektrické ortorombické fáze Pbam (AFE1) tedy zahrnuje dvě mezifáze, které vedou k vysunutím atomů Pb a k naklápění kyslíkových oktaedrů. Atom Pb je citlivější na vysokoteplotní fázové přechody díky silným dielektrickým anomáliím, zatímco atomy kyslíku hrají klíčovou roli v AFE2 a AFE1 fázích, ve kterých se uplatňují zejména jejich antiferodistortivní módy.

Schéma sekvence fázových přechodů v antiferroelektrickém Pb(Hf0.83Sn0.17)O3.
Schéma sekvence fázových přechodů v antiferroelektrickém Pb(Hf0.83Sn0.17)O3.

 

Pochopení vlivu substituce kationtů na antiferoelektrické vlastnosti

Revisiting phonons and the phase transition sequence in antiferroelectric Pb0.98La0.02(Zr0.95Ti0.05)O3
Anirudh K R, Cosme Milesi-Brault, Přemysl Vaněk, Esther de Prado and Elena Buixaderas
Phys. Scr. 100 (2025) 075908.

Tato studie, využívající kalorimetrii, rentgenovou difrakci a Ramanovu spektroskopii, ukazuje, jak jemné změny ve složení keramiky PZT 95/5 ovlivňují posloupnost fázových přechodů a její základní mřížkovou dynamiku. Výsledkem je stabilizace jejího antiferoelektrického stavu při vyšších teplotách a vznik nesouměřitelných mezifází. To přispívá k lepšímu pochopení vlivu substituce i v dalších antiferoelektrických materiálech.

Fázový diagram keramiky PLZT
Fázový diagram keramiky PLZT 100x/95/5, lde x je koncentrace La. Teplotní hystereze je patrná na hranici mezi dvěma feroelektrickými fázemi PZT 95/5 a na hranici mezi dvěma antiferoelektrickými fázemi PLZT.

 

Publikace

  • Phonon studies of the phase transition sequence in antiferroelectric single crystal of Pb(Hf0.83Sn0.17)O3
    Anirudh K R, Cosme Milesi-Brault, Christelle Kadlec, Dmitry Nuzhnyy, Andrzej Majchrowski, Magdalena Krupska-Klimczak, Irena Jankowska-Sumara and Elena Buixaderas
    Journal of Applied Physics 138, 104101 (2025).
  • Revisiting phonons and the phase transition sequence in antiferroelectric Pb0.98La0.02(Zr0.95Ti0.05)O3
    Anirudh K R, Cosme Milesi-Brault, Přemysl Vaněk, Esther de Prado and Elena Buixaderas
    Phys. Scr. 100, 075908 (2025).

Zprávy o projektu

(podrobné zprávy jsou dostupné na vyžádaní)