近日，清华大学材料学院朱静教授课题组和李敬锋教授课题组联合在美国物理联合会Journal of Applied Physics期刊上在线发表了题为《反铁电序参量与具有高储能密度的钽掺杂铌酸银》（Antiferroelectric order and Ta-doped AgNbO3 with higher energy storage density. Journal of Applied Physics, 125, 20: 204103 (2019)）的封面文章。
图1 JAP官网主页对该工作的报道
该论文将材料的储能性能与反铁电的唯象模型，特别是反铁电序参量有机地结合了起来，并在此基础上提出了新型反铁电储能材料的设计思路，对研究者们深入研究反铁电材料的性能及其物理机制有着重要的指导意义。
虽然反铁电材料也属于铁性材料大家族，而且在静电储能领域已得到大量应用，但相比于已经被广泛研究和应用的铁电与铁磁材料来说，受制于反铁电材料自身结构的复杂性，人们对反铁电材料的研究还远远不够深入和全面。
譬如在上世纪中叶，铁电材料的唯象理论便已基本完善，但是研究者们直到2016年才建立起较为合理的反铁电唯象模型，而且也未能给出对实验结果，特别是复杂氧化物体系原子尺度电镜图像作定量分析的显式表达式，这就限制了该模型的应用前景。
另一方面，研究者们常常通过元素掺杂来改善反铁电材料的储能性能，例如掺杂15mol%的钽元素后，铌酸银的储能密度即可从2.1J/cm3提高到4.2 J/cm3。若能从唯象理论出发，找出其性能的决定因素，则将能够显著推进该领域的发展。
图2. （a）[110]c带轴下Pbcm结构铌酸银的衍射花样模拟图；（b）[110]c带轴下Pbcm结构铌酸银的衍射花样实验图；（c）Pbcm结构铌酸银在[110]c带轴下的HAADF图像。
针对以上所述的传统反铁电唯象理论的局限性，该研究在原子尺度实验结果的基础上，将反铁电序参量的定义推广到了以铌酸银为代表的复杂氧化物体系中，并得到了纯铌酸银和钽掺杂铌酸银的约化反铁电序参量，发现掺杂后体系的约化反铁电序参量不但未增大，反而有小幅下降。
图3. （a）钽掺杂铌酸银的HAADF图像及其傅里叶变换；（b）为图3（a）中黄色区域的放大图；（c）为图2（c）中橙色区域的放大图，可见钽掺杂后(11(—)0)C原子面的波动程度减小
作者在唯象理论的框架内，论证了反铁电序参量的增加和顺电相电容率的降低均能有效提高储能密度；在掺杂钽元素后，体系储能密度增大的主要原因则是掺杂后高温顺电相的电容率显著减小。
随后论文作者进一步提炼出了一种设计高性能静电储能材料的思路，以达到显著提高材料的反铁电-铁电相变的临界场强的目的，进而提高材料的储能密度。
图4. 纯铌酸银和钽掺杂铌酸银约化反铁电序参量的频率分布直方图和高斯拟合结果，
其中每一频率分布直方图包含32个区间，可见掺杂后体系的约化反铁电序参量略有减小。
这部分工作在美国物理联合会主办的JAP刊物发表，并被编辑部认为是该刊物最好的文章之一，作为Featured Article，被放在JAP主页的显著位置上。
以下是编辑部给文章通讯作者朱静的部分email内容。
“The Editors felt that your article was one of the journal’s best, and have chosen to promote it as a Featured Article. Once published, your paper will be displayed prominently on the journal’s homepage and will be identified with an icon next to the article title.”
论文第一作者为材料学院2014级博士生李根，导师为朱静教授。该研究工作得到了国家自然科学基金重大项目、国家自然科学基金创新中心、国家973项目和国家重大研发专项的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1063/1.5090444。
Li G, Liu H, Zhao L, et al. Antiferroelectric order and Ta-doped AgNbO3 with higher energy storage density[J]. Journal of Applied Physics, 2019, 125(20): 204103.
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