华盛顿大学最新Science！新方法大幅度提高介电材料的极化率

一、【科学背景】

静电电容器因其超快的充放电速率而被广泛用于高能量存储和释放，但其性能受到传统介电材料最大极化(Pm)较低的限制。相比之下，HfO2、ZrO2和BaTiO3 (BTO)等铁电材料由于其较高的电磁化率可实现更高的最大极化。高残余极化率(Pr)限制了放电过程中能量储存和释放的有效性。为了克服这一限制，弛豫铁电材料在低残余极化下获得高能量密度的能力得到了研究。通过成分和缺陷工程在铁电材料中诱导纳米畴来实现弛豫铁电具有良好的前景，但这些方法会导致结晶度的损失，从而导致介电常数的降低和最大极化的牺牲。此外，一些方法受到限制，无法达到高极化饱和极限，这导致低电场下的极化饱和和低能量密度(Ue)。这些限制突出了需要一种不同的方法来补充以前的方法，促进具有极高能量密度的静电电容器的发展。

二、【科学贡献】

今日，来自美国华盛顿大学的Sang-Hoon Bae和麻省理工学院的Frances M. Ross教授发明了一种精确控制极化弛豫时间的策略，通过使用由层分裂技术产生的单层二维(2D)材料来保持最小的能量损失。该方法主要利用二维(2D)材料控制弛豫时间的方法，同时通过使用2D/3D/2D异质结构和保持铁电三维材料的结晶度来最小化能量损失。使用这种方法，本工作能够实现191.7焦耳/立方厘米的能量密度，效率超过90%。这种对弛豫时间的精确控制效地抑制了铁电材料的残余极化，同时保持了最大极化，有潜力提高介电材料的性能，并在其他需要高能存储系统的相关应用中使用。相关成果以“High energy density in artificial heterostructures through relaxation time modulation”为题发表在国际顶级期刊Science上。

图1 利用受经典德拜松弛启发的米勒模型管理自发极化；(A) Miller模型极化率与ωτ曲线；(B)几种二维材料的电导率与介电常数曲线总结；(C和D) 2D/C-3D/2D和3D/C-3D/3D结构的介电Cole-Cole图(C)和tan δ随频率曲线(D)。© 2024 Science

图2 C-BTO、3D/3D/3D和2D/3D/2D异质结构的极化；(A) C-BTO的P-E回路；(B) Al2O3/C-BTO/Al2O3强键和弱键界面的P-E环比较；(C) 2D/3D/2D异质结构的P-E环。P-E回路在10 kHz测量；(D和E)由P-E回路计算出的Pm - Pr (D)和Pm/Pr (E)。© 2024 Science

图3原子尺度的极化分布和附加电性能；(A) 2ML-MoS2/C-BTO/2ML-MoS2的STEM-HAADF(左)和iDPC(右)图像；MoS2和BTO之间的分离以及BTO的界面粗糙度是可见的；(B)机械剥离MoS2层后C-BTO、2ML-MoS2/C-BTO/2ML-MoS2和2ML-MoS2/C-BTO/2ML-MoS2的P-E环；(C、D) 0 ~ 5 MV/cm直流偏置电场作用下C- bto (C)和2ML-MoS2/C- bto /2ML-MoS2 (D)的介电Cole-Cole图； (E) C-BTO、1ML-MoS2/C-BTO/1ML-MoS2和2ML-MoS2/C-BTO/2ML-MoS2的ωτ与电场的关系。© 2024 Science

图4 C-BTO和MoS2/C-BTO/MoS2的储能性能与MoS2层数的关系；(A和B)两个参数威布尔分布的分析特征细分领域(A)和压敏电阻器的能量密度和效率C-BTO和二硫化钼/ C-BTO /二硫化钼异质结构(B)；(C)的温度依赖性的能量密度和效率在温度从250到400 K (D, F)次循环C-BTO (D), 1 ml- MoS2 / C-BTO / 1 ml- MoS2 (E)和2 ml- MoS2 / C-BTO / 2 ml- MoS2 (F)在温度从250到400 K。© 2024 Science

三、【科学启示】

本工作强调了人工设计的2D/C-3D/2D异质结构中不同材料之间复杂的相互作用及其对残余极化、最大极化、能量损失和效率的影响。这些研究有助于理解如何优化使用铁电材料的高能静电电容器的设计和性能。通过使用这种方法，未来可以在开发更高效和大型储能系统方面取得进展。

本文由虚谷纳物提供；

论文详情：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.adl2835.