華盛頓大學最新Science！新方法大幅度提高介電材料的極化率

一、【科學背景】

靜電電容器因其超快的充放電速率而被廣泛用于高能量存儲和釋放，但其性能受到傳統介電材料最大極化(Pm)較低的限制。相比之下，HfO2、ZrO2和BaTiO3 (BTO)等鐵電材料由于其較高的電磁化率可實現更高的最大極化。高殘余極化率(Pr)限制了放電過程中能量儲存和釋放的有效性。為了克服這一限制，弛豫鐵電材料在低殘余極化下獲得高能量密度的能力得到了研究。通過成分和缺陷工程在鐵電材料中誘導納米疇來實現弛豫鐵電具有良好的前景，但這些方法會導致結晶度的損失，從而導致介電常數的降低和最大極化的犧牲。此外，一些方法受到限制，無法達到高極化飽和極限，這導致低電場下的極化飽和和低能量密度(Ue)。這些限制突出了需要一種不同的方法來補充以前的方法，促進具有極高能量密度的靜電電容器的發展。

二、【科學貢獻】

今日，來自美國華盛頓大學的Sang-Hoon Bae和麻省理工學院的Frances M. Ross教授發明了一種精確控制極化弛豫時間的策略，通過使用由層分裂技術產生的單層二維(2D)材料來保持最小的能量損失。該方法主要利用二維(2D)材料控制弛豫時間的方法，同時通過使用2D/3D/2D異質結構和保持鐵電三維材料的結晶度來最小化能量損失。使用這種方法，本工作能夠實現191.7焦耳/立方厘米的能量密度，效率超過90%。這種對弛豫時間的精確控制效地抑制了鐵電材料的殘余極化，同時保持了最大極化，有潛力提高介電材料的性能，并在其他需要高能存儲系統的相關應用中使用。相關成果以“High energy density in artificial heterostructures through relaxation time modulation”為題發表在國際頂級期刊Science上。

圖1 利用受經典德拜松弛啟發的米勒模型管理自發極化；(A) Miller模型極化率與ωτ曲線；(B)幾種二維材料的電導率與介電常數曲線總結；(C和D) 2D/C-3D/2D和3D/C-3D/3D結構的介電Cole-Cole圖(C)和tan δ隨頻率曲線(D)。? 2024 Science

圖2 C-BTO、3D/3D/3D和2D/3D/2D異質結構的極化；(A) C-BTO的P-E回路；(B) Al2O3/C-BTO/Al2O3強鍵和弱鍵界面的P-E環比較；(C) 2D/3D/2D異質結構的P-E環。P-E回路在10 kHz測量；(D和E)由P-E回路計算出的Pm - Pr (D)和Pm/Pr (E)。? 2024 Science

圖3原子尺度的極化分布和附加電性能；(A) 2ML-MoS2/C-BTO/2ML-MoS2的STEM-HAADF(左)和iDPC(右)圖像；MoS2和BTO之間的分離以及BTO的界面粗糙度是可見的；(B)機械剝離MoS2層后C-BTO、2ML-MoS2/C-BTO/2ML-MoS2和2ML-MoS2/C-BTO/2ML-MoS2的P-E環；(C、D) 0 ~ 5 MV/cm直流偏置電場作用下C- bto (C)和2ML-MoS2/C- bto /2ML-MoS2 (D)的介電Cole-Cole圖； (E) C-BTO、1ML-MoS2/C-BTO/1ML-MoS2和2ML-MoS2/C-BTO/2ML-MoS2的ωτ與電場的關系。? 2024 Science

圖4 C-BTO和MoS2/C-BTO/MoS2的儲能性能與MoS2層數的關系；(A和B)兩個參數威布爾分布的分析特征細分領域(A)和壓敏電阻器的能量密度和效率C-BTO和二硫化鉬/ C-BTO /二硫化鉬異質結構(B)；(C)的溫度依賴性的能量密度和效率在溫度從250到400 K (D, F)次循環C-BTO (D), 1 ml- MoS2 / C-BTO / 1 ml- MoS2 (E)和2 ml- MoS2 / C-BTO / 2 ml- MoS2 (F)在溫度從250到400 K。? 2024 Science

三、【科學啟示】

本工作強調了人工設計的2D/C-3D/2D異質結構中不同材料之間復雜的相互作用及其對殘余極化、最大極化、能量損失和效率的影響。這些研究有助于理解如何優化使用鐵電材料的高能靜電電容器的設計和性能。通過使用這種方法，未來可以在開發更高效和大型儲能系統方面取得進展。

本文由虛谷納物提供；

論文詳情：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.adl2835.