可以替代传统大容量电容器新品,体积仅为1%

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-08-11 09:43

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank) 编译自IEEE ,谢谢。

缩小当今电子产品的一个障碍是其电容器的尺寸相对较大。现在,科学家们已经开发出新的“超晶格”,它可能有助于制造尺寸仅为传统电容器的百分之一的电容器。


电池以化学形式储存能量,而电容器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——它们可以为自身重量存储更多能量。然而,电容器通常比电池具有更大的功率密度——它们的充电和放电速度更快。这使得电容器可用于涉及功率脉冲的应用。


由于电容器的能量密度有些低,它们难以小型化。反铁电材料可以帮助解决这个问题。就像拥有北极和南极的磁铁一样,材料内的电荷也分为正极和负极。反铁电体是这些“电偶极子”通常以相反方向定向的材料,从而导致总体上的零电极化。然而,当反铁电体暴露在足够强的电场中时,它们会转变为高度极化,从而产生大的能量密度。


“由反铁电体制成的电容器可能比传统电容器小得多,这将有助于使电子电路小型化,”卢森堡科学技术研究所的材料物理学家Hugo Aramberri说。


然而,已知的天然反铁电材料相对较少。在一项新研究中,Aramberri 和他的同事试图设计出可以像反铁电体一样工作的人造结构。


科学家们转向铁电和顺电材料。铁电体是其中电偶极子通常都以相同方向定向的材料,从而导致电极化。相反,顺电体是其中电偶极子仅在存在电场的情况下排列的材料。


然后,该团队构建了由铁电钛酸铅(PbTiO3) 和顺电钛酸锶(SrTiO3) 制成的超晶格。之所以称这种超晶格是因为钛酸铅和钛酸锶本身排列成晶格结构,它们也被放置在彼此交替的薄层中。


科学家们试图通过试验材料的不同特征(包括层厚度、层刚度以及层可能从它们所在的基础上感受到的应变)来优化它们在室温下的能量存储密度和能量释放效率。


在模拟中,科学家们发现,在每厘米 3.5 兆伏的电场下,他们最好的超晶格可以储存超过 110 焦耳每立方厘米。在该场强下,这比几乎所有已知的反铁电电容器都要好。它仅被一种复杂的钙钛矿固溶体所超越,该溶液在 3.5 兆伏特/厘米下显示出 154 焦耳/立方厘米,目前是该场强下创纪录的能量密度。


“传统电容器的储能密度比我们在研究中预测的一些人造反铁电体的储能密度小 100 倍以上,”Aramberri 说。“这意味着我们的超晶格有可能用于制造体积比传统电容器小 100 倍的电容器。”


Aramberri 指出,在选择电容器时,除了能量密度之外,还必须考虑其他因素,例如其功率密度。“这些值得进一步调查,以评估我们的超晶格用于商业用途的可行性,”他说。


他还提醒他们检查的晶格中含有铅,铅的毒性极大地限制了其技术应用。


“不过,我们相信我们的工作提供了一个概念验证,即人造反铁电体可以用铁电体和顺电体量身定制,而且这个想法与为构建块选择的特定材料没有内在联系,”Aramberri 说。


总而言之,这些新发现表明“出于许多实际目的,我们可能能够使用量身定制的人造反铁电体而不是本征反铁电体,”Aramberri 说。


下一步“将是在真实样本中测试我们的模拟,”Aramberri 说。“测量其他特性会很有趣,比如它们可以承受多少电压、它们在长期使用中的耐久性以及最终的商业可行性。后者部分依赖于可扩展且廉价的高质量氧化物超晶格制造技术,这些技术是还没有完全开发。”

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