介電材料因其獨特的超高功率密度（超快充放電速率），高耐壓以及良好可靠性在電子器件以及電能系統中扮演着至關重要的角色。然而，介質電容器的能量存儲能力比較低，如何提高電介質的能量密度是其繼續發展中面臨的長期挑戰。随着新型電子電學系統不斷集成化和微型化，尋求提高介質電容器的能量密度成為了介電材料領域亟待解決的問題。

       2019年9月獲悉，清華大學林元華教授和南策文院士團隊利用多相納米域設計策略設計了具有超高密度的無鉛鐵電薄膜。他們在相場模拟方法指導下，首先構築了無鉛的BiFeO3-BaTiO3-SrTiO3固溶體薄膜，發現其菱方晶系和正方晶系的納米疇可共存。該薄膜在保持較高極化的同時獲得了最小的磁滞回線，其能量密度高達112J/cm3，能量轉化效率達約80%。相關成果以“Ultrahigh-energy density lead-free dielectric films via polymorhphic nanodomain design”為題發表于國際頂級期刊 Science。

        基于PbTiO3及BaTiO3的高質量鐵電（FE）薄膜已被發現可承受高電壓（1MV·cm-1）及高極化強度，能量密度可提升至大于20 J/cm3。基于PbZrO3薄膜等反鐵電材料（AFE）由于具有反鐵電-鐵電相轉變帶來的高極化強度及反鐵電材料本身的低剩餘極化強度特性，也可應用于儲能領域。而弛豫鐵電材料（RFE）納米域間較弱的相互耦合，使其因延遲極化更有利于提高能量密度，表現出優異性能。

圖1. 高性能馳豫鐵電體設計

        研究團隊首先采用理論相場模拟了部分特定固溶體的晶域結構，确定具有最高能量密度及能量效率的材料組成。

圖2. BFBSTO薄膜的相和疇結構

        基于相場模拟結果，團隊随後采用激光脈沖沉積法制備了一系列（0.55-x）BFO-xBTO-0.45STO（BFBSTO，x=0.0-0.4）薄膜，并用XRD及STEM進行表征，确認了薄膜微相結構，表征結果與設計模拟高度吻合。

圖3. BFBSTO薄膜介電、鐵電以及能量存儲性能

        進一步研究了BFSTO薄膜的介電、鐵電儲能特性。這些特性表明具有多相納米晶域結構的BFBSTO薄膜同時具有較強的弛豫鐵電體特征及高極化率，對儲能極為有利。

圖4. BFBSTO薄膜可靠性和穩定性評價

        此外，團隊還對BFBSTO薄膜的工作穩定性和可靠性進行了測試（擊穿強度、洩露電流、充放電循環及儲能熱穩定性）。測試結果表明，BFBSTO薄膜不僅有望用于千赫茲及以上的高頻儲能領域，其低漏電電流、優異的抗疲勞性能和溫度穩定性可保證薄膜介電材料在極端條件下依然能正常工作。

        該實驗工作設計合成的多相納米晶域介電薄膜具有優異的儲能性能，可用于各類電容及熱電裝置。通過操縱構建納米尺度疇結構的方法能夠為設計高性能介電材料以及其他功能化材料提供新型思路。

        論文鍊接：https://science.sciencemag.org/content/365/6453/578?rss=1 ( DOI: 10.1126/science.aaw8109)