化学键工程助力高熵 CaTiO3陶瓷实现巨介电性能：突破与展望

为解决电介质在高介电常数（CP）、低介电损耗和优异温度稳定性难以兼得的问题，研究人员开展高熵 CaTiO3陶瓷的化学键工程策略研究。结果实现了巨介电常数、低损耗和良好稳定性，为设计 CP 材料提供新策略。

　　在电子领域，电介质作为静电电容器的基本组成部分，其性能对电子元件至关重要。随着设备小型化发展，对电介质的要求越来越高，需要具备高介电常数（大于 10⁴ ）、低介电损耗和出色的温度稳定性。然而，目前这几个关键因素相互关联，难以同时优化。比如，BaTiO₃基电介质在居里温度附近，强极化虽能带来高介电常数，但会产生大损耗和严重的温度依赖性；CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷虽有巨介电常数和一定温度稳定性，可高介电损耗限制了其应用；顺电 SrTiO₃（STO）陶瓷介电损耗低且温度独立性好，介电常数却较差。因此，如何在电介质中同时实现高介电常数、低介电损耗和稳定的温度性能，成为该领域亟待解决的难题。

为了攻克这一难题，清华大学的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们提出了一种化学键工程策略，应用于高熵 CaTiO₃陶瓷的制备中。研究发现，通过这种策略，能够在高熵 CaTiO₃陶瓷中实现巨介电常数、低损耗和优异的稳定性。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为设计高介电常数材料开辟了新途径，也为其他依赖缺陷的功能材料的发展提供了广阔机遇。

研究人员在开展这项研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：一是采用常规固相反应法制备 CaTiO₃（CTO）基陶瓷样品；二是运用多种结构表征技术，如 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X 射线光电子能谱（XPS）等，对样品的相结构、微观形貌、元素价态等进行分析；三是借助电学和介电测量手段，像宽带介电 / 阻抗光谱仪、热刺激去极化电流（TSDC）测量仪等，来测试陶瓷的电学和介电性能；四是利用第一性原理计算，基于密度泛函理论（DFT），对体系的结构和电子性质进行深入探究。

高熵设计对 CTO 基介电陶瓷的影响

研究人员以 Nb、Er 共掺杂的 CTO 为起始材料，向 Ca 位点等摩尔掺入 Sr、Na 和 Sm，制备出不同成分的陶瓷样品。通过计算配置熵（S_config）来量化成分不均匀性，随着更多元素随机占据 A 位点，S_config逐渐增加，原子尺寸无序度（Δδ_size^*）也相应增大。XRD 结果证实所有样品均为纯正交相，峰位的轻微移动与引入元素的离子尺寸变化相符，表明固溶充分。SEM 的 EDS 映射显示，高熵陶瓷样品中各元素均匀分散。同时，随着 S_config增加，平均晶粒尺寸逐渐增大，这可能是由于氧空位浓度升高，促进了烧结过程中的质量传输。这些结果充分验证了高熵策略构建 CTO 基陶瓷的可行性，为后续性能优化提供了更多可能。

高熵设计促进缺陷生成

为验证高熵设计诱导晶格缺陷的可行性，研究人员进行了一系列缺陷相关的测试和分析。从 500°C 下测量的 CTO 基陶瓷复阻抗谱可知，随着 A 位点引入元素增多，晶界电阻减小，这意味着更多缺陷聚集在晶界。通过拟合实验数据得到的激活能也随熵增加而降低，表明高熵陶瓷中存在大量缺陷。TSDC 测试进一步确定了缺陷特性，在不同温度和极化电压下，从 TSDC 曲线中识别出三种缺陷峰，分别对应不同类型的缺陷，其中氧空位（V_O）相关峰的特征明显。通过初始上升法计算出的激活能，也与不同类型缺陷相对应。从介电性能 - 频率图中的弛豫行为、TGA 测试、Ti K 边缘 XANES 光谱以及 XPS 测试等多方面结果都证明，高熵策略能够有效促进缺陷生成。此外，通过 DFT 计算模拟结构演化，发现高熵调制导致 A/B - O 键共价性降低，键强度减弱，缺陷形成能降低，有利于产生大量晶格缺陷，同时高熵 NSCST 陶瓷的最大偶极矩值也验证了该策略的有效性。

高熵 NSCST 陶瓷介电性能显著提升

研究人员全面评估了高熵 NSCST 陶瓷的介电性能，以确认高熵策略实现巨介电常数的可行性。在室温下测量介电性能随频率的变化，所有样品在低频范围表现出频率无关特性，且未检测到明显的界面弛豫行为。随着 A 位点取代元素增加，介电常数单调增加，在高熵 NSCST 陶瓷中达到 2.37×10⁵ ，同时 tanδ 保持在 0.005 的超低水平。在测试温度范围（-50 至 250°C）内，所有样品的电容温度稳定性良好，高熵 NSCST 陶瓷在 1kHz 下计算的温度系数（ΔC/C₂₅°C ）在 ±15% 以内，满足 X9R 电容器的温度稳定性要求。进一步研究发现，配置熵与介电性能密切相关，熵增加导致 A - O 和 B - O 键强度减弱，促进氧原子逃逸，产生更多缺陷，增强了 CTO 基陶瓷的偶极极化，最终使高熵 NSCST 陶瓷获得优异的介电性能，其综合性能优于其他代表性的巨介电常数陶瓷材料。

综上所述，该研究通过在高熵 CaTiO₃陶瓷中运用化学键工程策略，成功实现了巨介电常数、低损耗和良好的温度稳定性。研究结果表明，通过调节配置熵和化学键性质，可以有效控制晶格缺陷的产生，进而优化电介质的性能。这种策略不仅为高介电常数材料的设计提供了新的思路，也为其他依赖缺陷的功能材料的研发提供了可行的解决方案，有望推动电子领域相关材料的进一步发展。