通过2D/3D异质结构精确控制铁电材料弛豫时间

静电电容器因其超快充放电能力而成为先进电子和大功率电气系统的基础组件。铁电材料提供高最大极化，但高残余极化阻碍了它们在储能应用中的有效部署。尽管最近的进展在通过成分和缺陷工程在铁电材料中诱导纳米域来实现弛豫铁电方面显示出了巨大的希望，但这些方法会导致结晶度的损失，从而导致介电常数降低并牺牲最大极化。

基于此，华盛顿大学圣路易斯分校Sang-Hoon Bae和麻省理工学院Frances M. Ross等人引入了一种精确控制偏振弛豫时间的策略，通过使用层分裂技术生产的单层二维(2D)材料来保持最小的能量损失。作者使用层转移技术来生产独立式单晶BaTiO3 (C-BTO)，其中两个界面都可以操纵，并通过添加各种2D材料形成2D/C-3D/2D异质结构。将C-BTO层与独立膜形式的2D材料夹在中间，从而在界面处发生麦克斯韦-瓦格纳(MW) 效应，即异质界面上电荷积累引起的弛豫改变松弛时间。通过层分辨分裂对2D材料的厚度进行原子级精确控制，可将能量损失和正切δ降至最低，同时控制弛豫时间。使用这种策略，有效地抑制了铁电材料的残余极化，同时保持最大极化，本工作实现了每立方厘米191.7焦耳的能量密度，效率超过90%。这种对弛豫时间的精确控制有望实现广泛的应用，并有可能加速高效储能系统的开发。

2D/3D界面处的MW弛豫

受经典德拜弛豫启发的米勒模型提供了通过操纵弛豫时间来控制自发极化的理论框架。作者通过使用层转移技术形成的2D/C-3D/2D异质结构克服了传统异质结存在的铁电性恶化和能量损失的问题。作者选择了石墨烯（2D半金属）、MoS2（2D半导体）和六方氮化硼(h-BN)（2D绝缘体），还制造了两种不同的3 nm厚的Al2O3/C-BTO/Al2O3异质结构作为比较。结果表明，弱键合和不连续界面提供比强化学键合界面更高的弛豫时间，使用2D材料的层分辨分裂制造的异质结构，能够以原子精度控制 2D 材料的厚度，h-BN 显然可以更有效地控制弛豫时间。

图1使用受经典德拜松弛启发的米勒模型管理自发极化

人工异质结构的极化

作者测量了未修饰的C-BTO以及强化学键合和弱化学键合的Al2O3/C-BTO/Al2O3异质结构的极化电场（P-E）环路。基于对弛豫时间可以有效控制并同时最小化tan d的理解，作者对各种2D/C-BTO/2D 质结构进行了P-E环测量，在使用连续转移两次1ML-MoS 形成的双层(2ML)-MoS2和C-BTO的异质结构中观察到残余极化的成功抑制。

图2 C-BTO、3D/3D/3D和2D/3D/2D异质结构的极化

原子尺度的偏振分布

为了更全面地了解人工设计的2D/C-3D/2D结构中的极化行为，作者进行了额外的电学测量，并获得了最有效结构MoS2/C-BTO/MoS2的原子级结构信息。结果表明C-BTO顶面和底面的结构不连续性可以作为C-BTO晶体中电介质极化的屏蔽，从而导致相对较小的残余极化。通过从2ML-MoS2/C-BTO/2ML-MoS2异质结构中机械剥离顶部和底部MoS2层后测量了P-E曲线，表明2D/3D/2D异质结构表现出的赝弛豫铁电行为是由电荷补偿驱动的，而不是弛豫铁电性并且二维层不会直接影响 C-BTO 晶体内部的偶极子，从而保持了高极化。

图3 偏压下的原子尺度极化分布和附加电性能

MoS2/C-BTO/MoS2的性能

为了研究C-BTO和MoS2/C-BTO/MoS2异质结构的完整储能性能，通过威布尔分布拟合测量了它们的统计击穿强度（Eb）。计算出MoS2/C-BTO/MoS2结构的Eb值为5.62和5.61 MV/cm，表明在高电场条件下具有高可靠性和Eb。此外，还证实了异质结构可实现高储能性能，并具有良好的极化稳定性和可靠性。

图4 C-BTO和MoS2/C-BTO/MoS2的储能性能与MoS2层数的关系

审核编辑：黄飞