電介質電容器具有快的充放電速率和高的可靠穩定性，在現代電子電路系統中發揮着重要的作用，也成為了高功率脈沖技術中不可替代的基礎元器件。但是，随着儲能器件小型化、集成化的發展，介電電容器相對較低的能量密度已成為目前需要解決的主要問題，也是當今材料科學研究的熱點之一。
在這一研究中，研究者們通過在介電材料中引入熵的調控策略，通過熵穩定效應穩定了熱力學上不穩定的Bi2Ti2O7基燒綠石相材料（圖1）。該材料是一類具有超低介電損耗和較高介電常數的線性介質材料，有益于高儲能性能的獲得。
圖1. 高熵穩定的燒綠石相結構
燒綠石相是典型的線性電介質，研究工作通過熵調控帶來的漏導與損耗的降低以及擊穿場強的提升，使其在高電場下可以有效降低滞回損耗，從而提升了儲能效率（圖2）。利用掃描透射電鏡（STEM）對材料的微結構進行了表征，發現随着熵的增加，介質材料的晶粒尺寸逐漸減小，且非晶相比例逐漸提升（圖3）。更小的晶粒尺寸和增加的非晶相是材料絕緣性能提升的根本原因，同時這種納米晶和少量均勻分布非晶的結構，也是極化可以相對保持的重要原因。最終，他們在x = 0.4的高熵薄膜中，實現了最優的182 J cm-3的儲能密度和78%的效率，并具有極好的循環和溫度穩定性（圖4）。這種高熵的設計思路有望被廣泛的用于提升介電材料儲能性能。
圖2. 極化、介電、漏導和擊穿電場強度随着熵的演變
圖3. STEM手段探究高熵成分的微觀結構演變
圖4. 高熵薄膜的能量存儲和穩定性表現
相關成果以“高熵提升介電能量存儲”（High-entropy enhanced capacitive energy storage）為題，近日在線發表在國際著名期刊《自然材料》（Nature Materials）上。beat365博士後楊兵兵、物理系博士後張揚和beat365已畢業博士生潘豪（現為加州大學伯克利分校博士後）為文章的共同第一作者。清華大學林元華教授、南策文院士和朱靜院士為文章的共同通訊作者。論文的重要合作者還包括中科院物理所的谷林研究員（現beat365教授）、張慶華副研究員、孟繁琦博士後，賓夕法尼亞州立大學陳龍慶教授，武漢理工大學的沈忠慧副教授，澳大利亞伍倫貢大學的張樹君教授，南方科技大學的何佳清教授、于勇博士，北京理工大學黃厚兵副教授，清華大學司文龍博士、藍順博士和劉亦謙博士等相關人員。本工作得到國家重點研發計劃、國家自然基金委科學中心等項目的資助。
論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01274-6