超介電可用于高溫儲能電容器設計

近日，西安交通大學微電子學院劉明教授團隊及其合作者，摒棄了傳統的設計策略，將超介電用于高溫儲能電容器的設計，相關研究成果發表于《自然-通訊》上。

介電電容器憑借其超快的充放電速率和超高的功率密度已成為電子設備和脈沖功率系統的關鍵部件。然而，隨著功率電子轉換技術向著高頻、微型化方向發展，功率密度不斷提升，電容器往往會在高于200攝氏度的環境下工作，而目前主流商業薄膜電容器僅能在105攝氏度以下工作，遠遠達不到現代工業發展所需的要求，迫切需要開發一種在寬溫范圍內性能穩定且具有高儲能密度的下一代介電儲能電容器。

研究團隊在相場模擬指導下，構思并制備了以寬禁帶HfO₂為第二相，以BaHf_0.17Ti_0.83O₃弛豫鐵電為基體的自組裝超介電納米結構。實驗結果表明，這種超介電結構不僅能大幅提高薄膜擊穿場強，提升弛豫性，還能有效抑制高溫下薄膜泄漏電流并顯著降低傳導損耗，將電容器的工作溫度提高到了400攝氏度，并在零下150攝氏度至400攝氏度的寬溫度范圍內，具有極高的溫度穩定性。在400攝氏度時，電容器儲能密度可達每立方厘米85焦耳，儲能效率超過81%，且經過一百萬次充放電循環后，儲能特性的變化率小于2%，表現出優異的高溫儲能特性。這項工作不僅展示了超介電在耐高溫電容器的潛在應用價值，還為設計耐高溫介電電容器提供了一種通用策略。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50832-w