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在先进电子电气系统中，静电介电电容器至关重要，但其面临着难以兼具超高储能性能与强抗辐射性的挑战。研究人员设计了含树枝状结构的自组装纳米复合薄膜（如PZT?MgO），该薄膜实现了超 200J/cm3的能量密度和超 20 Mrad 的抗辐射性，为先进电容器发展提供新方向。
在现代科技飞速发展的时代，先进电子和电气系统对静电介电电容器提出了极高的要求。它就像这些系统的 “能量心脏”，凭借高功率密度和超快的充放电能力，在混合动力汽车、智能电网、微波通信等众多领域发挥着不可替代的作用。衡量其性能的关键指标，如可恢复能量密度（
Ue）和效率（
η），决定了它能否高效地存储和释放能量。然而，在一些极端环境下，如航空航天系统、核能领域、加速器科学以及辐射治疗技术中，电容器不仅要承受巨大的能量负荷，还要抵御辐射的 “攻击”。目前，商用介电电容器存在能量存储密度较低、抗辐射能力差等问题，这就好比给这些先进系统安装了一颗 “脆弱的心脏”，严重限制了它们在极端环境下的应用和发展。
为了解决这些难题，来自南京航空航天大学、清华大学等多所国内高校的研究人员踏上了探索之路。他们聚焦于开发兼具优异能量存储性能和卓越抗辐射能力的新型电容器。经过不懈努力，研究人员成功设计出了一种自组装纳米复合薄膜，这种薄膜具有独特的树枝状结构，将铁电材料（如PbZr0.53Ti0.47O3，简称 PZT）嵌入绝缘体（如MgO）中。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为电容器领域带来了新的曙光。
研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。通过脉冲激光沉积技术在特定基底上制备薄膜，利用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF - STEM）、X 射线衍射（XRD）等手段对薄膜的结构和成分进行表征，借助辐射精密材料分析仪测量铁电滞回曲线、电流 - 电压曲线等物理性能，还运用相场模拟从理论上分析薄膜的介电击穿和极化切换过程。
理论分析储能性能和自愈合机制
研究人员通过相场模拟对比了普通 PZT 薄膜和具有树枝状结构的 PZT - MgO（PM）薄膜的介电击穿和极化切换过程。模拟结果显示，PM 薄膜中曲折的击穿路径在 PZT 和MgO相界面处分裂和扩散，使得击穿过程更加复杂且缓慢，从而提高了击穿场强（Eb）。同时，PM 薄膜的P?E回线更窄，在保持高最大极化强度（Pm）的同时，具有较低的剩余极化强度（Pr），能够实现高能量存储密度和效率。进一步研究发现，在不同 PZT 摩尔分数下，当 PZT 摩尔分数在 45% - 60% 时，可实现较高的Ue；当 PZT 摩尔分数高于 50% 时，η足够高，综合来看，50% 的 PZT 摩尔分数可能是优化储能性能的最佳选择。
在抗辐射性能方面，研究人员指出，铁电材料性能的辐射诱导退化通常归因于原子位移事件和电离效应导致的缺陷浓度增加。而在具有树枝状结构的 PM 薄膜中，大量的相边界（PBs）和畴壁能够捕获辐射诱导的间隙缺陷，并将其释放回晶格空位，使大多数空位恢复到健康的晶体状态，从而显著提高了薄膜的抗辐射能力。
树枝状自组装铁电 - 介电纳米复合薄膜的制备和储能性能
在相场模拟的指导下，研究人员成功制备出普通 PZT 薄膜和一系列PZTx?MgO1?x（x=0.65、0.5和0.35）纳米复合薄膜。HAADF - STEM 图像和 XRD 分析表明，在x=0.5的 PM 薄膜中成功实现了理想的树枝状纳米复合结构，且化学元素分布均匀。对薄膜介电性能的测试发现，加入MgO后，薄膜的最大介电常数温度（Tm）显著降低，相转变峰更加弥散，弛豫因子（r）增大，介电损耗角正切在较宽温度范围内受到抑制，这些都表明薄膜的弛豫性能得到增强。通过测量P?E回线评估储能性能，x=0.5的P50M50薄膜展现出弛豫型更窄的P?E回线，较高的Pm和极低的Pr，从而获得了高达 99.0J/cm3的Ue和 78.2% 的η，并且其储能性能具有出色的频率稳定性。
树枝状自组装铁电 - 介电纳米复合薄膜的抗辐射性能
研究人员对P50M50薄膜进行不同剂量的60Co伽马源辐射，剂量分别为 0、5、10、20 和 40 Mrad（等效硅剂量）。XRD 分析表明，辐射后薄膜的晶体结构保持稳定。测量辐射前后薄膜的P?E回线发现，在 0 - 20 Mrad 的辐射剂量范围内，Pm变化较小，Pr显著降低，Pm?Pr增大，能量存储性能略有提升；当辐射剂量增加到 40 Mrad 时，Pm下降，Pr进一步降低，Pm?Pr减小，同时泄漏电流增大，导致能量存储性能显著下降。
通过微观结构表征发现，在低辐射剂量（≤20 Mrad）下，薄膜的表面均匀性和铁电性能保持稳定，这得益于其较强的自愈合能力，能够有效修复大部分辐射诱导的缺陷；而在 40 Mrad 的高辐射剂量下，薄膜表面出现大量缺陷簇，导致压电响应降低，畴壁运动受阻，宏观能量存储性能明显下降。此外，研究人员还评估了薄膜的统计击穿强度（Eb）、可靠性和温度稳定性。结果显示，P50M50薄膜在 20 Mrad 的辐射剂量下仍能保持较高的Eb、良好的可靠性和出色的温度稳定性，但在 40 Mrad 时，Eb降低，可靠性和温度稳定性也受到影响。
辐射对综合储能性能的影响
综合评估辐射对P50M50薄膜储能性能的影响发现，未辐射的薄膜具有超高的Eb（7.1MV/cm），在辐射剂量达到 20 Mrad 时，Eb仍保持在 6.8MV/cm，但 40 Mrad 时降至 6.5MV/cm，且可靠性降低。未辐射的薄膜Ue高达 217.8J/cm3，η约为 78%，这些性能优于大多数现有的介电氧化物薄膜；20 Mrad 辐射后，薄膜仍能保持优秀的储能性能，但 40 Mrad 辐射后，Ue、η和品质因数（UF）均显著下降。在可靠性方面，20 Mrad 辐射的薄膜在超过1010次循环中，Ue和η的降解极小，但 40 Mrad 辐射的薄膜在3×105次循环后，Ue和η急剧下降。在温度稳定性方面，P50M50薄膜在 - 100℃至 170℃的宽温度范围内，从 0 - 20 Mrad 辐射剂量下都能保持出色的热稳定性，但 40 Mrad 辐射后，在 - 100℃至 130℃范围内Ue较低，且温度超过 130℃时会发生击穿。
研究人员提出的树枝状纳米极化（DNP）结构设计策略，成功制备出的自组装铁电 - 介电纳米复合薄膜，在提高能量存储性能和抗辐射能力方面取得了重大突破。这种薄膜不仅实现了超高的能量密度和效率，还展现出卓越的抗辐射性、良好的温度稳定性和可靠性，为开发高性能、抗辐射的储能电容器提供了新的思路和方法，有望在航天器、卫星电源系统、便携式医疗脉冲电源系统以及恶劣环境工业电子等领域得到广泛应用。未来，研究人员计划将 DNP 策略扩展到其他无铅铁电 - 绝缘体复合材料，如BiFeO3基、BaTiO3基和HfO2?ZrO2二元氧化物等，进一步推动环保型储能器件的发展。
