利用局域不均匀性增强介电储能性能的机制研究

本研究针对无机介电电容器能量密度低的关键问题，通过构建极性纳米区域（PNR）和极性浆模型，揭示了局域不均匀性通过静电相互作用和随机场调控提升储能性能的机制。清华大学团队发现非极性基质与极性区域的串联连接拓扑可显著提高储能密度（达20 J cm-3）和效率（>90%），为设计高性能弛豫铁电体（RFE）提供了新范式。该成果发表于《Nature Communications》，为复杂介电材料的理性设计奠定了理论基础。

　　

在现代电子系统中，无机介电电容器因其微秒级充放电速度和数千伏耐压能力成为脉冲系统的核心元件。然而现有材料的储能密度（块体<2 J cm^-3，薄膜<20 J cm^-3）严重制约器件小型化。弛豫铁电体（Relaxor Ferroelectrics, RFE）凭借其微小滞后和较高极化强度成为理想候选材料，但局域不均匀性影响储能性能的微观机制尚未阐明，这主要受限于表征技术的局限性和计算模型的不足。

清华大学材料学院的研究团队通过相场模拟方法，系统研究了局域不均匀性对介电储能性能的增强机制。研究创新性地结合极性纳米区域（Polar Nanoregions, PNR）模型和极性浆（Polar Slush）模型，发现非极性基质与极性区域的静电相互作用可使储能密度提升29%，而随机场诱导的极性浆结构更能实现储能密度三倍增长。该研究建立了首个直接关联化学组分波动与介电性能的理论框架，成功模拟了固溶体和高熵介电体的性能演化规律，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究主要采用相场模拟技术，通过求解时间相关的Ginzburg-Landau方程模拟极化矢量演化，结合Dirichlet分布生成化学组分波动，引入随机场表征局域不均匀性。关键创新在于构建了包含Landau能量、梯度能量、弹性能和静电能的多物理场耦合模型，并开发了三维拓扑结构分析算法。

PNR模型的静电机制
通过模拟xBFO-(1-x)STO固溶体发现：当PNR半径从25 nm减小至2.5 nm时，系统介电常数从222增至558。非极性基质通过电荷控制行为使PNR产生S型极化-电场（P-E）回线，这种界面静电作用可延迟极化反转，使效率从43%提升至61%。研究首次证实串联连接拓扑（aspect ratio=32:2）能最大化储能密度（14 J cm^-3），其机制源于垂直电场界面的去极化效应。

极性浆模型的随机场效应
在BiFeO₃体系中，随机场强度增至2 MV cm^-1时，宏观铁电性被抑制，剩余极化（P_r）从0.62 C m^-2降至0.19 C m^-2。这种无序化使储能密度实现从9 J cm^-3到25 J cm^-3的跃升，验证了"纳米域是局域不均匀性结果而非原因"的创新观点。

统一模型的普适性验证
建立的化学组分-性能关联模型显示：当Bi₄Ti₃O₁₂构型熵达1.5R时，极化波动（ΔP/P）增强使储能密度出现峰值。引入离子半径（δ_radius）和价态波动（δ_valence）的修正模型进一步揭示，价态波动对随机场的贡献是半径波动的4倍，这为高熵介电体设计提供了定量依据。

该研究突破了传统"尺寸效应"认知框架，证明局域不均匀性才是提升储能性能的本质因素。所建立的组分-结构-性能关系模型不仅能准确预测xBF