靜電電容器在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中發(fā)揮著重要作用。它們能夠?qū)崿F(xiàn)超快速充放電，為智能手機(jī)、筆記本電腦和車用電子設(shè)備等提供儲(chǔ)能和電力。然而，這種電容器中使用的鐵電材料因其材料特性會(huì)出現(xiàn)明顯的能量損失，因此難以提供高儲(chǔ)能能力。

（圖片來(lái)源：麥凱維工程學(xué)院）

據(jù)外媒報(bào)道，圣路易斯華盛頓大學(xué)（Washington University in St. Louis）麥凱維工程學(xué)院（McKelvey School of Engineering）機(jī)械工程和材料科學(xué)助理教授Sang-Hoon Bae解決了在將鐵電材料應(yīng)用于儲(chǔ)能方面的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。Bae及合作人員提出使用2D材料來(lái)控制鐵電電容器馳豫時(shí)間的方法。馳豫時(shí)間是一種描述電荷耗散或衰減所需時(shí)間的內(nèi)部材料特性。

研究人員開發(fā)出新型2D/3D/2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以充分減少能量損失，同時(shí)保留鐵電3D材料的優(yōu)勢(shì)材料特性。這種方法巧妙地將2D和3D材料夾在原子薄層中，每層之間都有精心設(shè)計(jì)的化學(xué)和非化學(xué)鍵。將非常薄的3D核心（3D core）插入兩個(gè)外部2D層之間，從而形成厚度僅為約30納米的疊層結(jié)構(gòu)（stack），大約是平均病毒顆粒大小的十分之一。Bae表示：“基于在實(shí)驗(yàn)室中已完成的涉及2D材料的創(chuàng)新，研究人員創(chuàng)造了一種新的結(jié)構(gòu)。最初我們并沒有專注于能量存儲(chǔ)，但在探索材料特性的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了一種新的物理現(xiàn)象，我們意識(shí)到這可以應(yīng)用于儲(chǔ)能。這非常有趣，可能也更有用。”

該2D/3D/2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，位于導(dǎo)電性和非導(dǎo)電性之間的最佳位置，其中半導(dǎo)體材料具有最佳的電性能來(lái)存儲(chǔ)能量。研究人員報(bào)告，借助這種設(shè)計(jì)，它可以實(shí)現(xiàn)比商用鐵電電容器高19倍的能量密度。另外，效率超過(guò)90%，這也是前所未有的。Bae表示：“研究人員發(fā)現(xiàn)，材料結(jié)構(gòu)中非常小的間隙可以調(diào)整或誘導(dǎo)介電弛豫時(shí)間。這種新物理現(xiàn)象是我們之前從未見過(guò)的。這使我們能夠以一種不會(huì)極化和失去電荷能力的方式操縱介電材料?！?/p>

隨著全球努力向下一代電子元件過(guò)渡，這種新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料為實(shí)現(xiàn)高性能電子設(shè)備鋪平了道路，包括高功率電子設(shè)備、高頻無(wú)線通信系統(tǒng)和集成電路芯片。這些進(jìn)展對(duì)于需要強(qiáng)大電源管理解決方案的行業(yè)尤其重要，例如電動(dòng)汽車和基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)。Bae表示：“從根本上說(shuō)，此次開發(fā)的結(jié)構(gòu)是一種新穎的電子材料，雖尚未達(dá)到100%的最佳狀態(tài)，但已超過(guò)其他實(shí)驗(yàn)室的表現(xiàn)。下一步，研究人員將優(yōu)化這種材料結(jié)構(gòu)，以滿足對(duì)電容器中超快速充放電和極高能量密度的需求。我們必須做到這一點(diǎn)，避免因反復(fù)充電而損失存儲(chǔ)容量，才能看到這種材料廣泛應(yīng)用于大型電子產(chǎn)品，如電動(dòng)汽車和其他正在發(fā)展的綠色技術(shù)。”