清華最新Science:超高能量密度的介電薄膜

【引言】

基于介電材料的電容器因其獨特的超高功率密度（超快充放電速率），高電壓持續時間以及良好的可靠性而在電子器件以及電能系統中扮演著至關重要的角色。然而，介質電容器的能量存儲能力比較低，一直是阻礙其繼續發展的主要困難。隨著新型電子電學系統不斷集成化和微型化，尋求提高介質電容器的能量密度也成為了介電材料領域亟待解決的問題。

【成果簡介】

清華大學的林元華教授和南策文教授（共同通訊作者）等人發表文章報道發現在BiFeO₃-BaTiO₃-SrTiO₃固溶體中存在能夠顯著提升能量密度的納米疇結構。研究人員利用相場模擬的方法，首先合成了無鉛BiFeO₃-BaTiO₃-SrTiO₃固溶體薄膜，并使得菱方晶系和正方晶系的納米疇能夠同時存在。隨后，研究人員發現在這種材料中維持高極化的同時還能夠最小化滯后現象，其能量密度可高達112焦耳每立方厘米，能量轉化效率也達到了80%左右。該研究認為，通過操縱構建納米尺度疇結構能夠為設計高性能介電材料以及其他功能化材料提供新型思路。2019年08月09日，相關成果以題為“Ultrahigh–energy density lead-free dielectric films via polymorphic nanodomain design”的文章在線發表在Science上。

【圖文導讀】

圖1 高性能弛豫鐵電體薄膜的設計

圖2 BFBSTO薄膜的相和疇結構

圖3 BFBSTO薄膜的介電、鐵電以及能量存儲性能

圖4 BFBSTO薄膜的可靠性和穩定性評價

文獻鏈接：Ultrahigh–energy density lead-free dielectric films via polymorphic nanodomain design（Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aaw8109）

本文由材料人學術組NanoCJ供稿。

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