Superredes à base de materiais ferroelétricos e paraelétricos para o armazenamento de energia

Abstract

O aumento do consumo energético e a necessidade de transitar para um futuro mais sustentável têm impulsionado a investigação de novos sistemas de armazenamento de energia. Entre estes, os condensadores dielétricos destacam-se pela elevada densidade de potência e pelos tempos de carga e descarga extremamente rápidos, sendo essenciais em diversas aplicações tecnológicas, mas particularmente relevantes para a eletrónica de potência pulsada. Os condensadores comerciais para armazenamento energético atualmente utilizados, apresentam desempenho limitado, o que motiva o desenvolvimento de novos materiais dielétricos. Neste contexto, os materiais ferroelétricos relaxadores surgem como alternativas promissoras para o armazenamento de energia, devido à sua baixa polarização remanescente, elevada polarização máxima e elevado campo dielétrico de rutura. Entre os materiais mais estudados encontram-se as perovskitas à base de BaTiO3, investigadas extensivamente por serem isentas de chumbo, respondendo assim às exigências ambientais associadas à substituição de compostos à base de Pb. A dopagem com cálcio e zircónio neste sistema resulta no material 0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BCZT), que combina boas propriedades ferroelétricas e comportamento relaxador otimizado. Estudos recentes têm demonstrado que a formação de superredes, pela alternância controlada de camadas ferroelétricas e paraelétricas, pode acentuar o comportamento relaxador e otimizar as propriedades dielétricas e ferroelétricas. Contudo, não existem ainda estudos sobre superredes baseadas no sistema BCZT/SrTiO3 (STO), o que constitui uma oportunidade de investigação promissora. Neste contexto, foram produzidas superredes de BCZT/STO depositadas em substratos de STO por ablação laser. O estudo focou-se na caracterização estrutural, dielétrica, ferroelétrica e de armazenamento de energia destas superredes, avaliando o impacto do número e da espessura das camadas nas respetivas propriedades. Os resultados obtidos contribuem para uma melhor compreensão da arquitetura da superrede no comportamento relaxador e na eficiência de armazenamento de energia, destacando o potencial deste sistema livre de chumbo para futuras aplicações em dispositivos de elevada densidade energética.

The increase in energy consumption and the need to transition towards a more sustainable future have driven the investigation of new energy storage systems. Among these, dielectric capacitors stand out due to their high-power density and extremely fast charge and discharge times, being essential in several technological applications, but particularly relevant for electronic pulsed power applications. The commercial capacitors currently used for energy storage exhibit limited performance, which motivates the development of new dielectric materials. In this context, relaxor ferroelectric materials emerge as promising alternatives for energy storage, due to their low remanent polarization, high maximum polarization, and high dielectric breakdown field. Among the most studied materials are BaTiO3-based perovskites, extensively investigated for being lead-free, thus meeting the environmental requirements associated with the replacement of Pbbased compounds. Doping with calcium and zirconium in this system results in the material 0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BCZT), which combines good ferroelectric properties and optimized relaxor behavior. Recent studies have shown that the formation of superlattices, through the controlled alternation of ferroelectric and paraelectric layers, can enhance the relaxor behavior and optimize the dielectric and ferroelectric properties. However, there are still no studies on superlattices based on the BCZT/SrTiO3 (STO) system, which constitutes a promising research opportunity. In this context, BCZT/STO superlattices were produced on STO substrates by pulsed laser deposition. The study focused on the structural, dielectric, ferroelectric and energy storage characterization of these superlattices, evaluating the impact of the number and thickness of the layers on their respective properties. The results obtained contribute to a better understanding of the influence of the superlattice architecture on the relaxor behavior and on the energy storage efficiency, highlighting the potential of this lead-free system for future applications in high energy density devices.