4月11日，我校物理學院/集成電路學院雙聘教授、集成電路學院院長助理李偉偉團隊，聯(lián)合物理學院楊浩教授團隊和清華大學南策文院士，在介電儲能電容器領(lǐng)域取得重要突破，成功研發(fā)出儲能密度高達215.8 J/cm3的自組裝樹枝狀納米復合薄膜電容器，為高性能電容器件開發(fā)提供了創(chuàng)新策略。相關(guān)研究成果以“Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design”為題，發(fā)表在國際頂級期刊《Science》上。

論文第一作者為南航物理學院劉亞靜博士后、物理學院張洋副研究員、航空學院王婧教授和德國Max Planck研究所Chao Yang博士，論文通訊作者為德國Max Planck研究所Hongguang Wang博士、物理學院楊浩教授、物理學院/集成電路學院李偉偉教授和清華大學南策文院士。論文得到了德國Max Planck研究所Peter A. van Aken教授和英國劍橋大學Judith L. MacManus-Driscoll院士支持。

隨著電子器件向高性能、微型化和系統(tǒng)集成化方向快速發(fā)展，儲能元件在集成電路中的地位愈發(fā)關(guān)鍵。特別是在國家“雙碳”戰(zhàn)略目標的驅(qū)動下，發(fā)展高能效、低損耗的微型化儲能器件已成為突破電子產(chǎn)業(yè)能耗瓶頸的關(guān)鍵路徑。介電儲能電容器因其功率密度高、充放電速度快、響應時間短、循環(huán)壽命長以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，被廣泛視為實現(xiàn)片上電源管理、瞬態(tài)電能補償及高頻脈沖電路能量調(diào)控的理想選擇。然而，受限于傳統(tǒng)介電材料的儲能密度不足，其在高端集成芯片及微型化系統(tǒng)級封裝等前沿領(lǐng)域中仍面臨著核心技術(shù)瓶頸。

當前制約介電儲能電容器件性能提升的關(guān)鍵科學問題，在于極化強度與擊穿場強之間存在的“內(nèi)稟倒置關(guān)系”。針對關(guān)鍵科學問題，研究團隊原創(chuàng)性提出了在寬禁帶絕緣介電材料中引入“樹枝狀納米極性（Dendritic Nanopolar, DNP）結(jié)構(gòu)”的設(shè)計策略，成功構(gòu)建了PbZr0.53Ti0.47O3-MgO（PZT-MgO）自組裝樹枝狀納米復合薄膜模型體系，實現(xiàn)了擊穿場強和極化強度的協(xié)同優(yōu)化，最終研制出儲能密度超國際同期水平的介電電容器。

DNP結(jié)構(gòu)設(shè)計與預測

研究團隊首先利用相場模擬對DNP結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與預測。模擬結(jié)果顯示，在組分優(yōu)化后，相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分支狀納米極性復合結(jié)構(gòu)能夠顯著抑制界面處的局域場集中效應并增加擊穿路徑的曲折度，從而大幅提升復合結(jié)構(gòu)的擊穿場強。同時，DNP復合結(jié)構(gòu)中存在更加無序的鐵電R相和T相納米疇混合，能夠賦予該結(jié)構(gòu)優(yōu)異的儲能性能。

DNP復合薄膜結(jié)構(gòu)表征

研究團隊基于自組裝納米復合薄膜的構(gòu)建方法，在寬禁帶絕緣體MgO中引入樹枝狀PZT鐵電相。多尺度結(jié)構(gòu)表征證實了DNP結(jié)構(gòu)復合薄膜的成功制備：原子分辨STEM成像顯示出PZT與MgO之間清晰可辨的界面；原子位移映射和極化矢量可視化分析更是清楚呈現(xiàn)了PZT區(qū)域內(nèi)部明顯的納米極性疇結(jié)構(gòu)。這些微觀特征共同賦予了復合材料優(yōu)異的宏觀儲能性能。

DNP復合薄膜介電儲能性能

研究團隊構(gòu)建的DNP結(jié)構(gòu)PZT-MgO復合薄膜電容器表現(xiàn)出突破性的儲能性能。在摩爾配比為1:1的PZT-MgO復合薄膜中，實現(xiàn)了擊穿場強與極化強度的協(xié)同提升：在7.4 MV/cm的超高電場下，其儲能密度高達 215.8 J/cm3，刷新了當前介電儲能電容器領(lǐng)域的國際最高記錄。該器件同時具備80.7%的儲能效率，兼具高能量輸出與低能量損耗。此外，在-100 ℃–170 ℃寬溫區(qū)范圍及1010次疲勞循環(huán)測試下，器件性能保持優(yōu)異的穩(wěn)定性。

本研究獲得了國家自然科學基金基礎(chǔ)科學中心、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、國家高層次青年人才和江蘇省特聘教授等項目的支持。