研究人員希望人造反鐵電體電容器有助於進一步小型化電子產品。
目前，縮小電子產品的一個主要障礙是其電容器的尺寸相對較大。不過，現在科學家們已經開發出新的超晶格 (Superlattice)，可能會使製造的電容器尺寸僅為傳統電容器的百分之一。
這項研究發表在近期的《Science Advances》上。
論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn4880
我們都知道，電池以化學形式儲存能量，而電容器則以電場形式儲存能量。電池通常具有比電容器更高的能量密度，因而儲存的能量更多。然而，電容器通常比電池具有更大的功率密度，因而充電和放電速度更快。
但是，由於電容器的能量密度相對較低，因此很難小型化。現在，有一種材料可以解決這個問題，即反鐵電體（Antiferroelectric）。就像磁鐵一樣，這種材料內的電荷也分為 N 極和 S 極。
「由反鐵電體制成的電容器可能比傳統電容器小得多，這將有助於小型化電子電路，」盧森堡科學技術研究所（Luxembourg Institute of Science and Technology，LIST）的材料物理學家 Hugo Aramberri 表示。他也是該研究的作者之一。
Hugo Aramberri
然而，已知的天然反鐵電體相對較少。在這項新研究中，Aramberri 及其同事試圖設計出類似反鐵電體的人造結構。該研究開始轉向鐵電體（ferroelectric）和順電體（paraelectric）。
然後，該團隊構建了由鐵電鈦酸鉛 (PbTiO_3) 和順電鈦酸鍶 (SrTiO_3) 製成的超晶格。之所以稱為超晶格，是因為鈦酸鉛和鈦酸鍶本身排列成晶格結構，它們被放置在彼此交替的薄層中。
(PbTiO_3)_4/(SrTiO_3)_4 超晶格的聲子不穩定性和基態。
該研究試圖通過試驗材料的不同特徵（包括層厚度、層剛度等）來最佳化它們在室溫下的能量儲存密度和能量釋放效率。
實驗發現，在每釐米 3.5 兆伏特的電場下，他們最好的超晶格每立方厘米可以儲存超過 110 焦耳能量。在該場強下，這比所有已知的反鐵電電容器都要好。
高吞吐量資料的平行座標圖。
Aramberri 表示：「傳統電容器的能量儲存密度是我們人造反鐵電材料的能量儲存密度的 1/100，這意味著我們的超晶格可能用於製造體積小 100 倍的電容器。」不過，在選擇電容器時，除了能量密度之外，還必須考慮其他因素，例如功率密度。所有這些都得進一步研究，才能評估超晶格用於商業用途的可行性。
Aramberri 還指出：「我們需要檢查超晶格中的含鉛量，因為鉛的毒性極大限制了技術應用。儘管如此，我們相信該研究提供了一個概念證明，人造反鐵電體可以由鐵電體和順電體量身定製。」
原文連結：https://spectrum.ieee.org/antiferroelectric
