《Science》：高能离子轰击，断接电容 _Science

【《Science》：高能离子轰击，断接电容】一、研究背景

随着电子信息技术的日新月异，数码电子产品的更新换代速度越来越快，以平板电视、笔记本电脑、数码相机等产品为主的消费类电子产品产销量持续增长，带动了电容器产业增长。介电材料可以存储电荷，并在施加和去除电场后释放电荷。基于电介质的静电电容因其它们固有的快速充放电速率及其高可靠性已成为现代电子产品和电力系统的关键组件。电容器通常相对于其他电容器具有较低的能量密度。降低成本和设备小型化的要求推动了具有高能量密度，高效且可靠，并具有强大的温度稳定性介电电容器的研发。

电容器储能的关键参数主要是放电能密度Ud和效率η 。在放电过程中，介质电容器具有较大的极化变化和较大的击穿电场(Eb)，以达到较高的放电速率和放电强度。这两个特点是通常具有负相关性，通常一些研究的焦点是在通过诱导弛豫行为来改善储能性能。材料设计的主要想法是通过化学掺杂或异质结构设计来改性铁电体成张弛振荡器，以利用其延迟偏振饱和度和相对较弱的滞后行为，但对于如何提高张弛振荡器本身的储能性能研究很少。

介电电容器是电子和电力系统的重要组成部分。通常通过改变材料成分来优化电容器性能。有研究发现通过高能离子轰击对有效的薄膜电介质进行后处理，由于引入了特定类型的缺陷，最终提升了储能性能。由此可见，后处理对于改善电容器储能性能很关键。

二、研究成果

介电电容器可以超快的速度存储和释放电能，并且已被广泛应用于电子和电力系统。在各种候选材料中，基于张弛铁电体的薄膜（一种具有纳米域的特殊铁电体）由于其高能量密度和高效率而受到特别关注。近日，加州大学伯克利分校Lane W. Martin教授（通讯作者）等研究人员发现高能离子轰击可改善弛豫铁电薄膜的储能性能。离子轰击本征点产生的缺陷可减少泄漏，延迟低场极化饱和，增强高场极化率，提高击穿强度。储能密度高达每立方厘米133焦耳，效率超过75％。通过诸如离子轰击等后合成处理方法的缺陷可用于克服高极化率和击穿强度之间的权衡问题。相关研究工作以“Ultrahigh capacitive energy density in ion-bombarded relaxor ferroelectric films”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

论文链接：
https://science.sciencemag.org/content/369/6499/81

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图1. 延迟极化饱和和低场能量存储特性

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图2.诱导缺陷浓度和He2+浓度与深度的函数

为提高能量存储性能，作者增加本征点缺陷（例如，铅，钛和氧空位等）的浓度来实现这一点，这些缺陷是氦离子从其晶格位点敲击目标离子时产生的。缺陷浓度的增加可以减少泄漏和引入稳定的压印（即磁滞回线的水平移动），带电点缺陷的创建会反过来引起中性缺陷偶极子的形成或更复杂的缺陷复合物，以保持电中性。

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图3.在10 kHz下测得的中等和最大E下的双极（A）和单极（B）电滞回线。（C）由单极电滞回线计算出的能量密度和效率

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图4 可靠性测试和热稳定性测试

对于电容器而言，可靠性和热稳定性是核心评价指标。可以看出，离子轰击的PMN-PT薄膜击穿强度增强，还具有优异的循环能力和温度稳定性。

三、结论与展望

综上所述，因为离子轰击会产生固有点缺陷，进而产生各种强大的储能特性（即能量密度，效率，泄漏电流，抗疲劳性和温度稳定性），它有望用于改善电容器的储能性能。研究缺陷的产生和控制其他加工工艺（例如热处理）以及通过合成后加工来优化生长过程是非常重要的。这种方法可用于提高其他储能电容器的效率。（文：嘉一）

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