作者雷切尔·伯克维茨，劳伦斯·伯克利国家实验室 为了制造新材料，首先在该室中通过脉冲激光沉积工艺沉积薄膜
你看到的明亮的“烟柱”是激光击中目标并沉积物质
信用:莱恩·马丁
快速储存和释放电能的电容器是现代电子和电力系统的关键部件
然而，与电池或燃料电池等其他存储系统相比，最常用的电池能量密度较低，而这些系统又不能在不持续损坏的情况下快速放电和充电
现在，正如《科学》杂志所报道的那样，研究人员已经找到了两者的最佳结合
美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员通过简单的后处理步骤，将孤立的缺陷引入一种商用薄膜，证明了一种普通材料可以加工成性能最佳的储能材料
这项研究得到了材料项目的支持，这是一个开放存取的在线数据库，几乎为全球科学家提供了最大的材料属性集合
今天，材料项目结合了计算和实验的努力，在其他目标中，加速新功能材料的设计
这包括理解以提高性能的方式操纵已知材料的方法
对降低成本和器件小型化的日益增长的需求推动了高能量密度电容器的发展
电容器通常用于电子设备中，以在电池充电时维持电源
伯克利实验室开发的新材料最终可以将电容器的效率、可靠性和坚固性与大型电池的储能能力结合起来
应用包括个人电子设备、可穿戴技术和汽车音频系统
该材料基于所谓的“弛豫铁电体”，这是一种对外部电场进行快速机械或电子响应的陶瓷材料，通常在超声波、压力传感器和电压发生器等应用中用作电容
外加电场驱动材料中电子取向的变化
与此同时，磁场驱动储存在材料中的能量发生变化，使它们成为小规模电容器之外的一个很好的候选材料
要解决的问题是如何优化铁电体，使其可以被充电到高电压并快速放电——几十亿次或更多——而不会持续损坏，使其不适合在计算机和车辆等应用中长期使用
莱恩·马丁实验室的研究人员是伯克利实验室材料科学部(MSD)的科学家，也是加州大学伯克利分校的材料科学与工程教授，他们通过引入局部缺陷来实现这一目标，使其能够承受更大的电压
“你可能在气体烤架上体验过弛豫铁电体
点亮烤架的按钮操作一个弹簧锤，击碎一种压电晶体，这是一种松弛剂，并产生一个电压来点燃气体，”马丁解释说
“我们已经证明，它们也可以制成一些最好的储能材料
" 在两个电极之间放置铁电材料并增加电场会导致电荷积聚
在放电过程中，可用的能量取决于材料的电子在电场作用下定向或极化的强度
然而，在材料失效之前，大多数这种材料通常不能承受大的电场
因此，根本的挑战是找到一种方法来增加最大可能的电场而不牺牲极化
研究人员转向一种他们以前开发的方法，来“关闭”材料的导电性
通过用被称为离子的高能带电粒子轰击薄膜，他们能够引入孤立的缺陷
这些缺陷俘获了材料的电子，阻止了它们的运动，并使薄膜的电导率降低了几个数量级
“铁电体被认为是绝缘体，其中电荷泄漏是一个主要问题
通过高能离子束轰击铁电体，我们知道我们可以使它们成为更好的绝缘体，”马丁团队的博士研究员、该论文的主要作者金杰云说
“然后我们问，我们能不能用同样的方法让弛豫铁电体在灾难性失效前承受更大的电压和电场？” 答案原来是“是的
金首先制造了一种典型的弛豫铁电薄膜，称为铌镁酸铅-钛酸铅
然后，他在伯克利实验室的加速器技术和应用物理部门操作的离子束分析设备上用高能氦离子瞄准了这些薄膜
氦离子将目标离子从它们的位置撞出，产生点缺陷
测量表明，离子轰击薄膜的能量储存密度是以前报道值的两倍多，效率提高了50%
“我们最初预计效果主要来自于减少具有孤立点缺陷的泄漏
然而，我们意识到由于这些缺陷导致的极化-电场关系的变化同样重要，”马丁说
“这种转变意味着需要越来越大的外加电压来产生最大的极化变化
“结果表明，离子轰击有助于克服高极化和易破碎之间的权衡
同样的离子束方法也可以改善其他介电材料，以提高能量储存，并为研究人员提供一种工具来修复已经合成的材料中的问题
“如果人们的合成或生产过程不尽如人意，那么看到人们在事后用这些离子束方法来‘修复’设备中的材料，那将是非常棒的，”金说
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