Phase transition is expected in designing high-performance electrocaloric effect (ECE). However, hidden antiferroelectricity in NaNbO3-based ceramics complicates ECE evolution as compared to conventional ferroic materials. Therefore, a NaNbO3xBi0.5Li0.5TiO3 (x = 0.08, 0.10, and 0.12) system is introduced to explore ECE performance in P (Pbma), Q (P21ma), and R (Pnma) phases since a Bi0.5Li0.5TiO3 dopant plays a Janus role in stabilizing ferroelectric Q (x = 0.08 and 0.10) and inducing the antiferroelectric (AFE) relaxor R phase (x = 0.12). Rietveld refinement reveals a phase structure change from the P/Q to R state. Bi0.5Li0.5TiO3 addition makes a downshift of P-to-R transition temperature accompanied by an increase in relaxation property, as certified by dielectric analysis/piezoelectric force images, in situ XRD/Raman spectra, and ferroelectric tests. Additionally, a square P–E loop evolves into less-sharp and finally changes into a slant one with increasing Bi0.5Li0.5TiO3 content. ECE is directly measured, and its peak value increases from 0.15 K for x = 0.08 and 0.21 K for x = 0.10 and finally to 0.11 K for x = 0.12 composition. Interestingly, dual ECE peaks appear in x = 0.10, and it is probably contributed by R relaxor polar nanodomains. This work not only clarifies actual ECE behavior in AFE orthorhombic (P/R) NaNbO3-based ceramics but also fulfills understandings of AFE P-to-R transitions in modulating ECE.

1.
J. Y.
Shi
,
D. L.
Han
,
Z. C.
Li
,
L.
Yang
,
S. G.
Lu
,
Z. F.
Zhong
,
J. P.
Chen
,
Q. M.
Zhang
, and
X. S.
Qian
,
Joule
3
,
1200
(
2019
).
2.
R. J.
Ma
,
Z. Y.
Zhang
,
K.
Tong
,
D.
Huber
,
R.
Kornbluh
,
Y. S.
Ju
, and
Q. B.
Pei
,
Science
357
,
1130
(
2017
).
3.
A. S.
Mischenko
,
Q.
Zhang
,
J. F.
Scott
,
R. W.
Whatmore
, and
N. D.
Mathur
,
Science
311
,
1270
(
2006
).
4.
R.
Pirc
,
Z.
Kutnjak
,
R.
Blinc
, and
Q. M.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
021909
(
2011
).
5.
B.
Neese
,
B.
Chu
,
S. G.
Lu
,
Y.
Wang
,
E.
Furman
, and
Q. M.
Zhang
,
Science
321
,
821
(
2008
).
6.
X. P.
Su
,
R. W.
Yin
,
Y. X.
Hou
,
J. J.
Li
,
J. T.
Li
,
S. Q.
Qin
,
Y. J.
Su
,
L. J.
Qiao
,
C. B.
Liu
, and
Y.
Bai
,
J. Eur. Ceram. Soc.
42
,
4917
(
2022
).
7.
G. H.
Li
,
F.
Yan
,
K.
Zhu
,
C.
Shi
,
G. L.
Ge
,
J. F.
Lin
,
Y. J.
Shi
,
B.
Shen
, and
J. W.
Zhai
,
Acta Mater.
227
,
117750
(
2022
).
8.
F.
Li
,
G. R.
Chen
,
X.
Liu
,
J. W.
Zhai
,
B.
Shen
,
H. R.
Zeng
,
S. D.
Li
,
P.
Li
,
K.
Yang
, and
H. X.
Yan
,
J. Eur. Ceram. Soc.
37
,
4732
(
2017
).
9.
F.
Li
,
J. H.
Li
,
J. W.
Zhai
,
B.
Shen
,
S. D.
Li
,
M. X.
Zhou
,
K. Y.
Zhao
, and
H. R.
Zeng
,
J. Appl. Phys.
124
,
164108
(
2018
).
10.
Q. M.
Wei
,
L.
Fulanovic
,
K. V.
Lalitha
,
M. P.
Zheng
,
Y. D.
Hou
,
M. K.
Zhu
,
L. J.
Liu
,
Y. F.
Chang
, and
R.
Xue
,
J. Am. Ceram. Soc.
105
,
3312
(
2022
).
11.
C. H.
Yang
,
C.
Feng
,
P. P.
Lv
,
J.
Qian
,
Y. J.
Han
,
X. J.
Lin
,
S. F.
Huang
,
X.
Cheng
, and
Z. X.
Cheng
,
Nano Energy
88
,
106222
(
2021
).
12.
J. N.
Li
,
D. W.
Zhang
,
S. Q.
Qin
,
T. Y.
Li
,
M.
Wu
,
D.
Wang
,
Y.
Bai
, and
X. J.
Lou
,
Acta Mater.
115
,
58
(
2016
).
13.
X. S.
Qian
,
H. J.
Ye
,
Y. T.
Zhang
,
H. M.
Gu
,
X. Y.
Li
,
C. A.
Randall
, and
Q. M.
Zhang
,
Adv. Funct. Mater.
24
,
1300
(
2014
).
14.
L.
Zhao
,
X. Q.
Ke
,
Z. J.
Zhou
,
X. Q.
Liao
,
J. J.
Li
,
Y.
Wang
,
M.
Wu
,
T. Y.
Li
,
Y.
Bai
, and
X. B.
Ren
,
J. Mater. Chem. C
7
,
1353
(
2019
).
15.
J. J.
Li
,
Z. H.
Li
,
J. J.
He
,
Y. X.
Hou
,
Y. J.
Su
,
L. J.
Qiao
, and
Y.
Bai
,
Phys. Status Solidi RRL
15
,
2100251
(
2021
).
16.
X. D.
Jian
,
B.
Lu
,
D. D.
Li
,
Y. B.
Yao
,
T.
Tao
,
B.
Liang
,
X. W.
Lin
,
J. H.
Guo
,
Y. J.
Zeng
, and
S. G.
Lu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
20167
(
2019
).
17.
J. L.
Yang
,
Y.
Zhao
,
X. J.
Lou
,
J. G.
Wu
, and
X. H.
Hao
,
J. Mater. Chem. C
8
,
4030
(
2020
).
18.
X. J.
Wang
,
X. J.
Lou
,
W. P.
Geng
,
Y. B.
Yao
,
T.
Tao
,
B.
Liang
, and
S. G.
Lu
,
J. Appl. Phys.
130
,
064102
(
2021
).
19.
X. J.
Wang
,
J. G.
Wu
,
B.
Dkhil
,
B. X.
Xu
,
X. P.
Wang
,
G. H.
Dong
,
G.
Yang
, and
X. J.
Lou
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
063904
(
2017
).
20.
N.
Zhang
,
T.
Zheng
,
C. L.
Zhao
,
X. W.
Wei
, and
J. G.
Wu
,
J. Mater. Res.
36
,
1142
(
2021
).
21.
G. Z.
Zhang
,
Z. B.
Chen
,
B. Y.
Fan
,
J. G.
Liu
,
M.
Chen
,
M.
Shen
,
P.
Liu
,
Y. K.
Zeng
,
S. L.
Jiang
, and
Q.
Wang
,
APL Mater.
4
,
064103
(
2016
).
22.
F. P.
Zhuo
,
Q.
Li
,
J. H.
Gao
,
Y. J.
Ji
,
Q. F.
Yan
,
Y. L.
Zhang
,
H. H.
Wu
,
X. Q.
Xi
,
X. C.
Chu
, and
W. W.
Cao
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
11747
(
2018
).
23.
W. P.
Geng
,
Y.
Liu
,
X. J.
Meng
,
L.
Bellaiche
,
J. F.
Scott
,
B.
Dkhil
, and
A. Q.
Jiang
,
Adv. Mater.
27
,
3165
(
2015
).
24.
J. J.
Li
,
H. H.
Wu
,
J. T.
Li
,
X. P.
Su
,
R. W.
Yin
,
S. Q.
Qin
,
D.
Guo
,
Y. J.
Su
,
L. J.
Qiao
,
T.
Lookman
, and
Y.
Bai
,
Adv. Funct. Mater.
31
,
2101176
(
2021
).
25.
M.
Tyunina
,
A.
Dejneka
,
D.
Rytz
,
I.
Gregora
,
F.
Borodavka
,
M.
Vondracek
, and
J.
Honolka
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
125901
(
2014
).
26.
H.
Shimizu
,
H. Z.
Guo
,
S. E.
Reyes-Lillo
,
Y.
Mizuno
,
K. M.
Rabe
, and
C. A.
Randall
,
Dalton Trans.
44
,
10763
(
2015
).
27.
M. H.
Zhang
,
N.
Hadaeghi
,
S.
Egert
,
H.
Ding
,
H. B.
Zhang
,
P. B.
Groszewicz
,
G.
Buntkowsky
,
A.
Klein
, and
J.
Koruza
,
Chem. Mater.
33
,
266
(
2021
).
28.
F.
Li
,
K.
Li
,
M. S.
Long
,
C. C.
Wang
,
G. H.
Chen
, and
J. W.
Zhai
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
043902
(
2021
).
29.
H.
Tao
,
J. L.
Yang
,
X.
Lv
,
X. H.
Hao
, and
J. G.
Wu
,
J. Am. Ceram. Soc.
102
,
2578
(
2019
).
30.
Y.
Yu
,
F.
Gao
,
F.
Weyland
,
H. L.
Du
,
L.
Jin
,
L.
Hou
,
Z. T.
Yang
,
N.
Novak
, and
S. B.
Qu
,
J. Mater. Chem. A
7
,
11665
(
2019
).
31.
L.
Zhang
,
C. L.
Zhao
,
T.
Zheng
, and
J. G.
Wu
,
J. Mater. Chem. A
9
,
2806
(
2021
).
32.
J.
Wu
,
H.
Liu
,
H.
Qi
,
B. T.
Gao
,
L.
Chen
,
W. C.
Li
,
S. Q.
Deng
, and
J.
Chen
,
J. Mater. Chem. A
10
,
18070
(
2022
).
33.
J. J.
Li
,
X. P.
Su
,
H. H.
Wu
,
J. T.
Li
,
S. Q.
Qin
,
R. W.
Yin
,
C. B.
Liu
,
D.
Guo
,
Y. J.
Su
,
L. J.
Qiao
,
T.
Lookman
, and
Y.
Bai
,
Scr. Mater.
216
,
114763
(
2022
).
34.
J. M.
Ye
,
G. S.
Wang
,
X. F.
Chen
,
F.
Cao
, and
X. L.
Dong
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
122901
(
2019
).
35.
L. S.
Gao
,
H. Z.
Guo
,
S. J.
Zhang
, and
C. A.
Randall
,
J. Appl. Phys.
120
,
204102
(
2016
).
36.
L. L.
Fu
,
D. M.
Lin
,
Q. J.
Zheng
,
X. C.
Wu
,
L.
Wu
,
H. L.
Sun
,
Y.
Wan
,
X. M.
Fan
, and
C. G.
Xu
,
Curr. Appl. Phys.
12
,
1523
(
2012
).
37.
H. W.
Shi
,
F.
Li
,
X. L.
Yang
,
M. S.
Long
,
L.
Shan
,
C. C.
Wang
, and
J. W.
Zhai
,
J. Materiomics
8
,
1260
(
2022
).
38.
Z. L.
Qiao
,
T. Y.
Li
,
H.
Qi
, and
R. Z.
Zuo
,
J. Alloys Compd.
898
,
162934
(
2022
).
39.
M. D.
Peel
,
S. P.
Thompson
,
A.
Daoud-Aladine
,
S. E.
Ashbrook
, and
P.
Lightfoot
,
Inorg. Chem.
51
,
6876
(
2012
).
40.
H. Z.
Guo
,
H.
Shimizu
,
Y.
Mizuno
, and
C. A.
Randall
,
J. Appl. Phys.
117
,
214103
(
2015
).
41.
K.
Uchino
and
S.
Nomura
,
Ferroelectrics
44
,
55
(
1982
).
42.
W.
Liu
,
F.
Li
,
G. H.
Chen
,
G. H.
Li
,
J. W.
Zhai
,
M. S.
Long
,
C. C.
Wang
, and
L.
Shan
,
Scr. Mater.
215
,
114713
(
2022
).
43.
S.
Yoon
,
H. L.
Liu
,
G.
Schollerer
,
S. L.
Cooper
,
P. D.
Han
,
D. A.
Payne
,
S. W.
Cheong
, and
Z.
Fisk
,
Phys. Rev. B
58
,
2795
(
1998
).
44.
M.
Chen
,
Y. P.
Pu
,
H.
Ding
,
L.
Zhang
,
N.
Xu
,
H. J.
Kleebe
, and
L.
Molina-Luna
,
J. Eur. Ceram. Soc.
42
,
6504
(
2022
).
45.
L.
Wang
,
H.
Qi
,
B. T.
Gao
,
Y.
Liu
,
H.
Liu
, and
J.
Chen
,
Mater. Horiz.
9
,
1002
(
2022
).
46.
Y. I.
Yuzyuk
,
P.
Simon
,
E.
Gagarina
,
L.
Hennet
,
D.
Thiaudiere
,
V. I.
Torgashev
,
S. I.
Raevskaya
,
I. P.
Raevskii
,
L. A.
Reznitchenko
, and
J. L.
Sauvajol
,
J. Phys.: Condens. Matter
17
,
4977
(
2005
).
47.
R. J. C.
Lima
,
P. T. C.
Freire
,
J. M.
Sasaki
,
A. P.
Ayala
,
F. E. A.
Melo
,
J. M.
Filho
,
K. C.
Serra
,
S.
Lanfredi
,
M. H.
Lente
, and
J. A.
Eiras
,
J. Raman Spectrosc.
33
,
669
(
2002
).
48.
G.
Viola
,
H.
Ning
,
X. J.
Wei
,
M.
Deluca
, and
A.
Adomkevicius
,
J. Appl. Phys.
114
,
014107
(
2013
).
49.
F.
Li
,
S. H.
Wu
,
T. Y.
Li
,
C. C.
Wang
, and
J. W.
Zhai
,
J. Eur. Ceram. Soc.
40
,
3918
(
2020
).
50.
X. L.
Ji
,
F.
Li
,
M. S.
Long
,
C. C.
Wang
, and
L.
Shan
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
023902
(
2022
).
51.
T. Y.
Li
,
C.
Liu
,
P.
Shi
,
X.
Liu
,
R. R.
Kang
,
C. B.
Long
,
M.
Wu
,
S. D.
Cheng
,
S. B.
Mi
,
Y. H.
Xia
,
L. L.
Li
,
D.
Wang
, and
X. J.
Lou
,
Adv. Funct. Mater.
32
,
2202307
(
2022
).
52.
J.
Yin
,
X. M.
Shi
,
H.
Tao
,
Z.
Tan
,
X.
Lv
,
X. D.
Ding
,
J.
Sun
,
Y.
Zhang
,
X. M.
Zhang
,
K.
Yao
,
J. G.
Zhu
,
H. B.
Huang
,
H. J.
Wu
,
S. J.
Zhang
, and
J. G.
Wu
,
Nat. Commun.
13
,
6333
(
2022
).
53.
H. J.
Luo
,
H.
Qi
,
S. D.
Sun
,
L.
Wang
,
Y.
Ren
,
H.
Liu
,
S. Q.
Deng
, and
J.
Chen
,
Acta Mater.
218
,
117202
(
2021
).
54.
A. K.
Axelsson
,
F. L.
Goupil
,
M.
Valant
, and
N. M.
Alford
,
Acta Mater.
124
,
120
(
2017
).
55.
L. J.
Dunne
,
M.
Valant
,
A. K.
Axelsson
,
G.
Manos
, and
N. M.
Alford
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
44
,
375404
(
2011
).
56.
E.
Birks
,
M.
Dunce
,
J.
Perantie
,
J.
Hagberg
, and
A.
Sternberg
,
J. Appl. Phys.
121
,
224102
(
2017
).
57.
M.
Sanlialp
,
V. V.
Shvartsman
,
M.
Acosta
, and
D. C.
Lupascu
,
J. Am. Ceram. Soc.
99
,
4022
(
2016
).
58.
D. S.
Kim
,
B. C.
Kim
,
S. H.
Han
,
H. W.
Kang
,
J. S.
Kim
, and
C. I.
Cheon
,
J. Appl. Phys.
126
,
234101
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.