現(xiàn)代電子產(chǎn)品小型化的一個(gè)障礙是其電容器的尺寸相對(duì)較大?，F(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了新的“超晶格”，這可能有助于制造傳統(tǒng)電容器的百分之一那么小的電容器。

電池以化學(xué)形式儲(chǔ)存能量，電容器以電場(chǎng)形式儲(chǔ)存能量。電池通常具有比電容器更大的能量密度，它們可以為其重量存儲(chǔ)更多的能量。然而，電容器通常比電池具有更高的功率密度，它們充電和放電更快。這使得電容器適用于涉及功率脈沖的應(yīng)用。

由于電容器的能量密度較低，因此難以小型化。反鐵電（Antiferroelectric）材料可以幫助解決這個(gè)問(wèn)題。像磁鐵一樣，材料中的電荷也會(huì)分成正負(fù)極。反鐵電體是這樣一種材料，其中這些“電偶極子”通常指向相反的方向，從而導(dǎo)致整體零極化。然而，當(dāng)反鐵電體暴露在足夠強(qiáng)的電場(chǎng)中時(shí)，它們可以切換到高度極化狀態(tài)，導(dǎo)致大的能量密度。

“由反鐵電材料制成的電容器可能比傳統(tǒng)電容器小得多，這將有助于電子電路的小型化，”盧森堡科學(xué)技術(shù)研究所的材料物理學(xué)家Hugo Aramberri說(shuō)。

然而，已知的天然反鐵電材料相對(duì)較少。在一項(xiàng)新的研究中，Aramberri和他的同事試圖設(shè)計(jì)出可以像反鐵電體一樣工作的人工結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家們首先研究了鐵電和順電材料。鐵電體是一種材料，其中電偶極子通常都指向同一方向，導(dǎo)致極化。相反，順電體是電偶極子僅在電場(chǎng)存在時(shí)才對(duì)準(zhǔn)的材料。

隨后，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了由鐵電鈦酸鉛（PbTiO3） 和順電鈦酸鍶（SrTiO3） 制成的超晶格。這些超晶格之所以得名，是因?yàn)殁佀徙U和鈦酸鍶本身排列在晶格結(jié)構(gòu)中，也被放置在彼此交替的薄層中。

科學(xué)家們?cè)噲D通過(guò)試驗(yàn)材料的不同特征（包括層厚度、層剛度以及層可能從它們所在的基礎(chǔ)上感受到的應(yīng)變）來(lái)優(yōu)化它們?cè)谑覝叵碌哪芰看鎯?chǔ)密度和能量釋放效率。

在模擬中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在每厘米3.5兆伏的電場(chǎng)下，他們最好的超晶格可以?xún)?chǔ)存超過(guò)110焦耳每立方厘米。在該場(chǎng)強(qiáng)下，這比幾乎所有已知的反鐵電電容器都要好。它僅被一種復(fù)雜的鈣鈦礦固溶體所超越，該溶液在3.5兆伏特/厘米下顯示出154焦耳/立方厘米，目前是該場(chǎng)強(qiáng)下創(chuàng)紀(jì)錄的能量密度。

Aramberri說(shuō)：“傳統(tǒng)電容器的儲(chǔ)能密度比我們?cè)谘芯恐蓄A(yù)測(cè)的一些人工反鐵電體的儲(chǔ)能強(qiáng)度小100倍以上。這意味著我們的超晶格有可能用于制造體積比傳統(tǒng)電容器小100倍的電容器。”

Aramberri指出，在選擇電容器時(shí)，除了能量密度之外，還必須考慮其他因素，如功率密度?！斑@些值得進(jìn)一步研究，以評(píng)估我們的超晶格在商業(yè)上的可行性，”他說(shuō)。

他還警告說(shuō)，他們研究的晶格中含有鉛，鉛的毒性嚴(yán)重限制了其技術(shù)應(yīng)用。

“盡管如此，我們相信我們的工作提供了一個(gè)概念證明，即人工反鐵電體可以由鐵電體和順電體量身定制而成，而且這一想法與為構(gòu)建模塊選擇的特定材料沒(méi)有本質(zhì)聯(lián)系，”Aramberri說(shuō)。

總而言之，這些新發(fā)現(xiàn)表明“出于許多實(shí)際目的，我們可以使用量身定制的人工反鐵電體，而不是固有的反鐵電，”Aramberri 說(shuō)。

Aramberri說(shuō)，下一步“將是在真實(shí)樣本中測(cè)試我們的模擬。測(cè)量其他特性，如它們能承受多少電壓、長(zhǎng)期使用的耐久性以及最終的商業(yè)可行性，將是一件有趣的事情。后者部分依賴(lài)于高質(zhì)量氧化物超晶格的可擴(kuò)展且廉價(jià)的制造技術(shù)，這些技術(shù)尚未完全開(kāi)發(fā)”?！?/p>