高电子亲和力小分子半导体增强聚醚酰亚胺纳米复合材料的能量密度

为提升高温下介电电容器的能量密度，研究人员将高电子亲和力小分子半导体Y6引入聚醚酰亚胺（PEI）基体，制备Y6/PEI复合薄膜。结果表明，0.2 wt% Y6的复合材料在室温下能量密度达13.42 J/cm3 （提升73%），150°C时仍保持11.72 J/cm3 （提升133%），其高击穿场强（700 MV/m）和短跳跃距离（0.45 nm）归因于Y6的深陷阱能级捕获效应，为高温储能器件设计提供了新思路。

　　

随着电力电子技术的高速发展，高温高能量密度介电电容器在电网系统、电动汽车等领域的应用需求激增。传统聚丙烯（PP）基电容器因介电常数低（ε_r
≈2.2）而受限，而铁电聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）虽具高ε_r
（~10），但其高温下剩余极化（P_r
）导致的效率骤降成为瓶颈。聚醚酰亚胺（PEI）凭借高玻璃化转变温度（T_g

217°C）和机械强度成为理想候选，但其固有介电常数（~3.7）和窄带隙（~4.2 eV）制约了性能突破。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地将有机小分子半导体Y6（含强吸电子基团C≡N）引入PEI基体，通过溶液流延法制备Y6/PEI纳米复合薄膜。研究发现，0.2 wt% Y6的复合材料（Y6/PEI-0.2）在1 kHz下介电常数提升至3.86（+4.5%），室温击穿场强达700 MV/m（较纯PEI提高27%），能量密度跃升至13.42 J/cm³
（提升73%）。尤为突出的是，150°C高温下其性能仍保持650 MV/m击穿场强和11.72 J/cm³
能量密度，分别较PEI提升35%和133%。论文发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》，为高温储能材料设计提供了分子级解决方案。

关键技术方法包括：1）溶液共混-流延成膜工艺制备Y6/PEI复合材料；2）扫描电镜（SEM）表征材料形貌与相容性；3）宽频介电谱测试介电性能；4）击穿场强测试系统评估耐压特性；5）基于跳跃传导模型拟合漏电流数据；6）紫外光电子能谱（UPS）构建能带图。

SEM分析显示Y6/PEI-0.2截面无缺陷，Y6分子均匀分散（图1b），透射电镜（TEM）证实其纳米级相容性。介电性能测试表明Y6的C≡N基团增强偶极极化，使介电损耗保持<0.02（图2a）。击穿机制研究发现Y6/PEI-0.2的跳跃距离仅0.45 nm（PEI的43%），深陷阱能级有效捕获电极注入电子（图4）。能带分析揭示Y6的LUMO能级（-3.8 eV）较PEI（-1.8 eV）更深，形成0.5 eV的陷阱深度，显著抑制电荷迁移。

该研究证实高电子亲和力小分子半导体可通过双重作用机制提升性能：1）极性基团（如C≡N）增强偶极极化；2）深陷阱能级抑制电荷输运。Y6/PEI-0.2在150°C下133%的能量密度提升，突破了高温聚合物电容器的性能极限。这项工作不仅为分子半导体/聚合物复合材料设计提供了新范式，更推动了高温高功率密度储能器件的实用化进程。作者团队特别指出，后续研究将聚焦于分子结构的精准调控（如氰基数量与位置），以进一步优化陷阱能级分布。国家自然科学基金（52172082）资助了本项研究。