介电电容器凭借其超快的充放电速率和超高的功率密度已成为电子设备和脉冲功率系统的关键部件。然而，随着功率电子转换技术向着高频、微型化方向发展，功率密度不断提升，电容器往往会在高于200摄氏度的环境下工作，而目前主流商业薄膜电容器仅能在105摄氏度以下工作，远远达不到现代工业发展所需的要求。鉴于现有的局限，迫切需要开发一种在宽温范围内性能稳定且具有高储能密度的下一代介电储能电容器。
针对这一问题，西安交通大学微电子学院刘明教授团队及其合作者，摒弃了传统的设计策略，将超介电用于高温储能电容器的设计，并取得了重要进展。在相场模拟指导下，构思并制备了以宽禁带HfO2为第二相，以BaHf0.17Ti0.83O3弛豫铁电为基体的自组装超介电纳米结构。实验结果表明，这种超介电结构不仅能大幅提高薄膜击穿场强，提升弛豫性，还能有效抑制高温下薄膜泄漏电流并显著降低传导损耗，将电容器的工作温度提高到了400摄氏度，并在零下150摄氏度至400摄氏度的宽温度范围内，具有极高的温度稳定性。在400摄氏度时，电容器储能密度可达每立方厘米85焦耳，储能效率超过81%，且经过一百万次充放电循环后，储能特性的变化率小于2%，表现出优异的高温储能特性。这项工作不仅展示了超介电在耐高温电容器的潜在应用价值，还为设计耐高温介电电容器提供了一种通用策略。
以上研究成果以“超介电高温储能电容器”（Metadielectrics for high-temperature energy storage capacitors）为题发表于国际著名期刊Nature Communications。论文第一单位为西安交通大学微电子学院，第一作者为西安交通大学博士生陆锐，通讯作者为西安交通大学微电子学院的刘明教授、西安交通大学材料学院的马春蕊教授和武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院的沈忠慧特聘研究员。该研究得到国家自然科学基金、国家“973”项目、国家自然科学基金重大研究项目和西安交大青年拔尖人才计划等项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50832-w
刘明教授团队主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/m.liu
