現(xiàn)代電子產(chǎn)品小型化的一個障礙是其電容器的尺寸相對較大。現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)開發(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)形式儲存能量，電容器以電場形式儲存能量。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問題。像磁鐵一樣，材料中的電荷也會分成正負極。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，當反鐵電體暴露在足夠強的電場中時，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。

然而，已知的天然反鐵電材料相對較少。在一項新的研究中，Aramberri和他的同事試圖設(shè)計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存在時才對準的材料。

隨后，該團隊構(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，是因為鈦酸鉛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)家們試圖通過試驗材料的不同特征（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）來優(yōu)化它們在室溫下的能量存儲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3.5兆伏的電場下，他們最好的超晶格可以儲存超過110焦耳每立方厘米。在該場強下，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，目前是該場強下創(chuàng)紀錄的能量密度。

Aramberri說：“傳統(tǒng)電容器的儲能密度比我們在研究中預(yù)測的一些人工反鐵電體的儲能強度小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，除了能量密度之外，還必須考慮其他因素，如功率密度。“這些值得進一步研究，以評估我們的超晶格在商業(yè)上的可行性，”他說。

他還警告說，他們研究的晶格中含有鉛，鉛的毒性嚴重限制了其技術(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有本質(zhì)聯(lián)系，”Aramberri說。

總而言之，這些新發(fā)現(xiàn)表明“出于許多實際目的，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。

Aramberri說，下一步“將是在真實樣本中測試我們的模擬。測量其他特性，如它們能承受多少電壓、長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。后者部分依賴于高質(zhì)量氧化物超晶格的可擴展且廉價的制造技術(shù)，這些技術(shù)尚未完全開發(fā)”。