《Science》：高能離子轟擊，實現超高電容能量密度

一、研究背景

隨著電子信息技術的日新月異，數碼電子產品的更新換代速度越來越快，以平板電視、筆記本電腦、數位相機等產品為主的消費類電子產品產銷量持續增長，帶動了電容器產業增長。介電材料可以存儲電荷，並在施加和去除電場後釋放電荷。基於電介質的靜電電容因其它們固有的快速充放電速率及其高可靠性已成為現代電子產品和電力系統的關鍵組件。電容器通常相對於其他電容器具有較低的能量密度。降低成本和設備小型化的要求推動了具有高能量密度，高效且可靠，並具有強大的溫度穩定性介電電容器的研發。

電容器儲能的關鍵參數主要是放電能密度Ud和效率η。在放電過程中，介質電容器具有較大的極化變化和較大的擊穿電場(Eb)，以達到較高的放電速率和放電強度。這兩個特點是通常具有負相關性，通常一些研究的焦點是在通過誘導弛豫行為來改善儲能性能。材料設計的主要想法是通過化學摻雜或異質結構設計來改性鐵電體成張弛振蕩器，以利用其延遲偏振飽和度和相對較弱的滯後行為，但對於如何提高張弛振蕩器本身的儲能性能研究很少。

介電電容器是電子和電力系統的重要組成部分。通常通過改變材料成分來優化電容器性能。有研究發現通過高能離子轟擊對有效的薄膜電介質進行後處理，由於引入了特定類型的缺陷，最終提升了儲能性能。由此可見，後處理對於改善電容器儲能性能很關鍵。

二、研究成果

介電電容器可以超快的速度存儲和釋放電能，並且已被廣泛應用於電子和電力系統。在各種候選材料中，基於張弛鐵電體的薄膜（一種具有納米域的特殊鐵電體）由於其高能量密度和高效率而受到特別關注。近日，加州大學伯克利分校Lane W. Martin教授（通訊作者）等研究人員發現高能離子轟擊可改善弛豫鐵電薄膜的儲能性能。離子轟擊本徵點產生的缺陷可減少洩漏，延遲低場極化飽和，增強高場極化率，提高擊穿強度。儲能密度高達每立方釐米133焦耳，效率超過75％。通過諸如離子轟擊等後合成處理方法的缺陷可用於克服高極化率和擊穿強度之間的權衡問題。相關研究工作以「Ultrahigh capacitive energy density in ion-bombarded relaxor ferroelectric films」為題發表在國際頂級期刊《Science》上。

論文連結：

https://science.sciencemag.org/content/369/6499/81

圖1. 延遲極化飽和和低場能量存儲特性

圖2.誘導缺陷濃度和He2+濃度與深度的函數

為提高能量存儲性能，作者增加本徵點缺陷（例如，鉛，鈦和氧空位等）的濃度來實現這一點，這些缺陷是氦離子從其晶格位點敲擊目標離子時產生的。缺陷濃度的增加可以減少洩漏和引入穩定的壓印（即磁滯回線的水平移動），帶電點缺陷的創建會反過來引起中性缺陷偶極子的形成或更複雜的缺陷複合物，以保持電中性。

圖3.在10 kHz下測得的中等和最大E下的雙極（A）和單極（B）電滯回線。（C）由單極電滯回線計算出的能量密度和效率

圖4 可靠性測試和熱穩定性測試

對於電容器而言，可靠性和熱穩定性是核心評價指標。可以看出，離子轟擊的PMN-PT薄膜擊穿強度增強，還具有優異的循環能力和溫度穩定性。

三、結論與展望

綜上所述，因為離子轟擊會產生固有點缺陷，進而產生各種強大的儲能特性（即能量密度，效率，洩漏電流，抗疲勞性和溫度穩定性），它有望用於改善電容器的儲能性能。研究缺陷的產生和控制其他加工工藝（例如熱處理）以及通過合成後加工來優化生長過程是非常重要的。這種方法可用於提高其他儲能電容器的效率。（文：嘉一）

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