超晶格或將淘汰大容量電容器？

LUXEMBOURG INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY/SCIENCE ADVANCES

現代電子產品小型化的一個障礙是其電容器的尺寸相對較大。現在，科學家們已經開發出了新的“超晶格”，這可能有助于制造傳統電容器的百分之一那么小的電容器。

電池以化學形式儲存能量，電容器以電場形式儲存能量。電池通常具有比電容器更大的能量密度，它們可以為其重量存儲更多的能量。然而，電容器通常比電池具有更高的功率密度，它們充電和放電更快。這使得電容器適用于涉及功率脈沖的應用。

由于電容器的能量密度較低，因此難以小型化。反鐵電（Antiferroelectric）材料可以幫助解決這個問題。像磁鐵一樣，材料中的電荷也會分成正負極。反鐵電體是這樣一種材料，其中這些“電偶極子”通常指向相反的方向，從而導致整體零極化。然而，當反鐵電體暴露在足夠強的電場中時，它們可以切換到高度極化狀態，導致大的能量密度。

“由反鐵電材料制成的電容器可能比傳統電容器小得多，這將有助于電子電路的小型化，”盧森堡科學技術研究所的材料物理學家Hugo Aramberri說。

然而，已知的天然反鐵電材料相對較少。在一項新的研究中，Aramberri和他的同事試圖設計出可以像反鐵電體一樣工作的人工結構。

科學家們首先研究了鐵電和順電材料。鐵電體是一種材料，其中電偶極子通常都指向同一方向，導致極化。相反，順電體是電偶極子僅在電場存在時才對準的材料。

隨后，該團隊構建了由鐵電鈦酸鉛(PbTiO3) 和順電鈦酸鍶(SrTiO3) 制成的超晶格。這些超晶格之所以得名，是因為鈦酸鉛和鈦酸鍶本身排列在晶格結構中，也被放置在彼此交替的薄層中。

科學家們試圖通過試驗材料的不同特征（包括層厚度、層剛度以及層可能從它們所在的基礎上感受到的應變）來優化它們在室溫下的能量存儲密度和能量釋放效率。

在模擬中，科學家們發現，在每厘米3.5兆伏的電場下，他們最好的超晶格可以儲存超過110焦耳每立方厘米。在該場強下，這比幾乎所有已知的反鐵電電容器都要好。它僅被一種復雜的鈣鈦礦固溶體所超越，該溶液在3.5兆伏特/厘米下顯示出154焦耳/立方厘米，目前是該場強下創紀錄的能量密度。

Aramberri說：“傳統電容器的儲能密度比我們在研究中預測的一些人工反鐵電體的儲能強度小100倍以上。這意味著我們的超晶格有可能用于制造體積比傳統電容器小100倍的電容器。”

Aramberri指出，在選擇電容器時，除了能量密度之外，還必須考慮其他因素，如功率密度。“這些值得進一步研究，以評估我們的超晶格在商業上的可行性，”他說。

他還警告說，他們研究的晶格中含有鉛，鉛的毒性嚴重限制了其技術應用。

“盡管如此，我們相信我們的工作提供了一個概念證明，即人工反鐵電體可以由鐵電體和順電體量身定制而成，而且這一想法與為構建模塊選擇的特定材料沒有本質聯系，”Aramberri說。

總而言之，這些新發現表明“出于許多實際目的，我們可以使用量身定制的人工反鐵電體，而不是固有的反鐵電，”Aramberri 說。

Aramberri說，下一步“將是在真實樣本中測試我們的模擬。測量其他特性，如它們能承受多少電壓、長期使用的耐久性以及最終的商業可行性，將是一件有趣的事情。后者部分依賴于高質量氧化物超晶格的可擴展且廉價的制造技術，這些技術尚未完全開發”。

科學家們在8月3日的《科學進步》雜志上詳細介紹了他們的發現。