大块头时代终结？新型超晶格材料使电容器体积缩小至1/100

选自IEEE Spectrum

作者：Charles Q. Choi

机器之心编译

编辑：陈萍

研究人员希望人造反铁电体电容器有助于进一步小型化电子产品。

目前，缩小电子产品的一个主要障碍是其电容器的尺寸相对较大。不过，现在科学家们已经开发出新的超晶格 (Superlattice)，可能会使制造的电容器尺寸仅为传统电容器的百分之一。

这项研究发表在近期的《Science Advances》上。

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn4880

我们都知道，电池以化学形式储存能量，而电容器则以电场形式储存能量。电池通常具有比电容器更高的能量密度，因而存储的能量更多。然而，电容器通常比电池具有更大的功率密度，因而充电和放电速度更快。

但是，由于电容器的能量密度相对较低，因此很难小型化。现在，有一种材料可以解决这个问题，即反铁电体（Antiferroelectric）。就像磁铁一样，这种材料内的电荷也分为 N 极和 S 极。

「由反铁电体制成的电容器可能比传统电容器小得多，这将有助于小型化电子电路，」卢森堡科学技术研究所（Luxembourg Institute of Science and Technology，LIST）的材料物理学家 Hugo Aramberri 表示。他也是该研究的作者之一。

Hugo Aramberri

然而，已知的天然反铁电体相对较少。在这项新研究中，Aramberri 及其同事试图设计出类似反铁电体的人造结构。该研究开始转向铁电体（ferroelectric）和顺电体（paraelectric）。

然后，该团队构建了由铁电钛酸铅 (PbTiO_3) 和顺电钛酸锶 (SrTiO_3) 制成的超晶格。之所以称为超晶格，是因为钛酸铅和钛酸锶本身排列成晶格结构，它们被放置在彼此交替的薄层中。

(PbTiO_3)_4/(SrTiO_3)_4 超晶格的声子不稳定性和基态。

该研究试图通过试验材料的不同特征（包括层厚度、层刚度等）来优化它们在室温下的能量存储密度和能量释放效率。

实验发现，在每厘米 3.5 兆伏特的电场下，他们最好的超晶格每立方厘米可以储存超过 110 焦耳能量。在该场强下，这比所有已知的反铁电电容器都要好。

高吞吐量数据的平行坐标图。

Aramberri 表示：「传统电容器的能量存储密度是我们人造反铁电材料的能量存储密度的 1/100，这意味着我们的超晶格可能用于制造体积小 100 倍的电容器。」不过，在选择电容器时，除了能量密度之外，还必须考虑其他因素，例如功率密度。所有这些都得进一步研究，才能评估超晶格用于商业用途的可行性。

Aramberri 还指出：「我们需要检查超晶格中的含铅量，因为铅的毒性极大限制了技术应用。尽管如此，我们相信该研究提供了一个概念证明，人造反铁电体可以由铁电体和顺电体量身定制。」

原文链接：https://spectrum.ieee.org/antiferroelectric

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