可以替代傳統大容量電容器新品，體積僅為1%

縮小當今電子產品的一個障礙是其電容器的尺寸相對較大。現在，科學家們已經開發出新的“超晶格”，它可能有助于制造尺寸僅為傳統電容器的百分之一的電容器。

電池以化學形式儲存能量，而電容器以電場形式儲存能量。電池通常具有比電容器更高的能量密度——它們可以為自身重量存儲更多能量。然而，電容器通常比電池具有更大的功率密度——它們的充電和放電速度更快。這使得電容器可用于涉及功率脈沖的應用。

由于電容器的能量密度有些低，它們難以小型化。反鐵電材料可以幫助解決這個問題。就像擁有北極和南極的磁鐵一樣，材料內的電荷也分為正極和負極。反鐵電體是這些“電偶極子”通常以相反方向定向的材料，從而導致總體上的零電極化。然而，當反鐵電體暴露在足夠強的電場中時，它們會轉變為高度極化，從而產生大的能量密度。

“由反鐵電體制成的電容器可能比傳統電容器小得多，這將有助于使電子電路小型化，”盧森堡科學技術研究所的材料物理學家Hugo Aramberri說。

然而，已知的天然反鐵電材料相對較少。在一項新研究中，Aramberri 和他的同事試圖設計出可以像反鐵電體一樣工作的人造結構。

科學家們轉向鐵電和順電材料。鐵電體是其中電偶極子通常都以相同方向定向的材料，從而導致電極化。相反，順電體是其中電偶極子僅在存在電場的情況下排列的材料。

然后，該團隊構建了由鐵電鈦酸鉛(PbTiO3) 和順電鈦酸鍶(SrTiO3) 制成的超晶格。之所以稱這種超晶格是因為鈦酸鉛和鈦酸鍶本身排列成晶格結構，它們也被放置在彼此交替的薄層中。

科學家們試圖通過試驗材料的不同特征（包括層厚度、層剛度以及層可能從它們所在的基礎上感受到的應變）來優化它們在室溫下的能量存儲密度和能量釋放效率。

在模擬中，科學家們發現，在每厘米 3.5 兆伏的電場下，他們最好的超晶格可以儲存超過 110 焦耳每立方厘米。在該場強下，這比幾乎所有已知的反鐵電電容器都要好。它僅被一種復雜的鈣鈦礦固溶體所超越，該溶液在 3.5 兆伏特/厘米下顯示出 154 焦耳/立方厘米，目前是該場強下創紀錄的能量密度。

“傳統電容器的儲能密度比我們在研究中預測的一些人造反鐵電體的儲能密度小 100 倍以上，”Aramberri 說。“這意味著我們的超晶格有可能用于制造體積比傳統電容器小 100 倍的電容器。”

Aramberri 指出，在選擇電容器時，除了能量密度之外，還必須考慮其他因素，例如其功率密度。“這些值得進一步調查，以評估我們的超晶格用于商業用途的可行性，”他說。

他還提醒他們檢查的晶格中含有鉛，鉛的毒性極大地限制了其技術應用。

“不過，我們相信我們的工作提供了一個概念驗證，即人造反鐵電體可以用鐵電體和順電體量身定制，而且這個想法與為構建塊選擇的特定材料沒有內在聯系，”Aramberri 說。

總而言之，這些新發現表明“出于許多實際目的，我們可能能夠使用量身定制的人造反鐵電體而不是本征反鐵電體，”Aramberri 說。

下一步“將是在真實樣本中測試我們的模擬，”Aramberri 說。“測量其他特性會很有趣，比如它們可以承受多少電壓、它們在長期使用中的耐久性以及最終的商業可行性。后者部分依賴于可擴展且廉價的高質量氧化物超晶格制造技術，這些技術是還沒有完全開發。”

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