科学家开发出新的“超晶格”助于制造传统电容器

现代电子产品小型化的一个障碍是其电容器的尺寸相对较大。现在，科学家们已经开发出了新的“超晶格”，这可能有助于制造传统电容器的百分之一那么小的电容器。

电池以化学形式储存能量，电容器以电场形式储存能量。电池通常具有比电容器更大的能量密度，它们可以为其重量存储更多的能量。然而，电容器通常比电池具有更高的功率密度，它们充电和放电更快。这使得电容器适用于涉及功率脉冲的应用。

由于电容器的能量密度较低，因此难以小型化。反铁电（Antiferroelectric）材料可以帮助解决这个问题。像磁铁一样，材料中的电荷也会分成正负极。反铁电体是这样一种材料，其中这些“电偶极子”通常指向相反的方向，从而导致整体零极化。然而，当反铁电体暴露在足够强的电场中时，它们可以切换到高度极化状态，导致大的能量密度。

“由反铁电材料制成的电容器可能比传统电容器小得多，这将有助于电子电路的小型化，”卢森堡科学技术研究所的材料物理学家Hugo Aramberri说。

然而，已知的天然反铁电材料相对较少。在一项新的研究中，Aramberri和他的同事试图设计出可以像反铁电体一样工作的人工结构。

科学家们首先研究了铁电和顺电材料。铁电体是一种材料，其中电偶极子通常都指向同一方向，导致极化。相反，顺电体是电偶极子仅在电场存在时才对准的材料。

随后，该团队构建了由铁电钛酸铅（PbTiO3） 和顺电钛酸锶（SrTiO3） 制成的超晶格。这些超晶格之所以得名，是因为钛酸铅和钛酸锶本身排列在晶格结构中，也被放置在彼此交替的薄层中。

科学家们试图通过试验材料的不同特征（包括层厚度、层刚度以及层可能从它们所在的基础上感受到的应变）来优化它们在室温下的能量存储密度和能量释放效率。

在模拟中，科学家们发现，在每厘米3.5兆伏的电场下，他们最好的超晶格可以储存超过110焦耳每立方厘米。在该场强下，这比几乎所有已知的反铁电电容器都要好。它仅被一种复杂的钙钛矿固溶体所超越，该溶液在3.5兆伏特/厘米下显示出154焦耳/立方厘米，目前是该场强下创纪录的能量密度。

Aramberri说：“传统电容器的储能密度比我们在研究中预测的一些人工反铁电体的储能强度小100倍以上。这意味着我们的超晶格有可能用于制造体积比传统电容器小100倍的电容器。”

Aramberri指出，在选择电容器时，除了能量密度之外，还必须考虑其他因素，如功率密度。“这些值得进一步研究，以评估我们的超晶格在商业上的可行性，”他说。

他还警告说，他们研究的晶格中含有铅，铅的毒性严重限制了其技术应用。

“尽管如此，我们相信我们的工作提供了一个概念证明，即人工反铁电体可以由铁电体和顺电体量身定制而成，而且这一想法与为构建模块选择的特定材料没有本质联系，”Aramberri说。

总而言之，这些新发现表明“出于许多实际目的，我们可以使用量身定制的人工反铁电体，而不是固有的反铁电，”Aramberri 说。

Aramberri说，下一步“将是在真实样本中测试我们的模拟。测量其他特性，如它们能承受多少电压、长期使用的耐久性以及最终的商业可行性，将是一件有趣的事情。后者部分依赖于高质量氧化物超晶格的可扩展且廉价的制造技术，这些技术尚未完全开发”。