二维钙钛矿氧化物异质结储能介质的构建及介电性能同步强化研究

The miniaturization and longevity of electronic and energy storage devices with higher energy storage density is inspiring the study to the molecularly-thin energy storage dielectrics. The core issue is to developing the dielectrics with high energy storage density and excellent dielectric performance at the same time. In the project, the van der Waals heterostructures, as energy storage dielectrics, will be assembled by LB deposition layer by layer with using two dimensional niobate perovskite oxide nanosheets as building blocks, which is obtained through exfoliating the bulk counterparts. The gap between the nanosheets of each unit layer will be filled up by controlled polycondensation of organic molecular. The interlayer interfacial coupling and reactions between electrode and heterostructures will be investigated by detail characterizations and theoretical calculations for establishing the corresponding relationships between the structure factors and interfacial reactions. Depending the results, the synchronous enhancement mechanisms of dielectric constant, strength and loss will be explored furtherly for determining the fundamentals and designing principles of constructing molecularly-thin energy storage dielectrics through two-dimensional perovskite oxide nanosheets. The achievements of the proposal will not only solve the key scientific problems with the novel materials but be the significant development to the dielectric theories.

介质储能器件是电力、电子系统中的重要器件之一，对其不断微型化、长效化以及高能化的迫切需求激发了对分子级储能介质的研究。其中，如何同时获得高能量密度和优异介电性能是开发分子级储能介质所面对的核心问题。本项目拟以铌酸基钙钛氧化物单分子片层为构建单元，通过申请人开发的胶体自收集和有机小分子有限缩聚方法，结合液相剥离和LB自阵列沉积技术构建范德瓦尔斯异质结储能介质；通过精细表征实验和理论计算相结合的方法，研究异质结与电极间界面以及构成异质结单元层间界面反应行为，探索界面特性与异质结结构因素的构效关系，揭示界面组织形成机制与介电常数、介电强度和介电损耗的同步强化演变规律，实现微观结构与宏观性能的主动控制。为发展高性能二维钙钛矿氧化物片层的设计及其构建分子级高能量密度储能器件可控制备加工新原理、新技术提供依据。

介质储能器件是电力、电子系统和集成电路中核心器件之一，对其不断微型化、长效化以及高能化的迫切需求激发了对分子级储能介电材料的研究。其中，同步获得高能量密度和优异介电性能是开发分子级储能介质所面对的核心问题。二维分子介质是最可能解决该问题的材料体系。针对核心问题，项目团队基于二维钙钛矿氧化物开展了系统的研究工作，主要涵盖二维单分子层的制备研究，二维范德瓦尔斯异质结的组成及制备研究，二维异质结的介电行为和构效关系研究，探索基于二维异质结的介电同步强化机制等。通过研究，开发出高温固相烧结合成二维铌酸基钙钛矿氧化物母相块体的方法，优化了液相剥离方法以剥离母相块体制备二维单分子片层，开发出基于逐层自阵列沉积技术堆垛单分子层制备二维异质结的方法，基于以上方法实现了分子级纳米介质薄膜和纳米尺度储能器件的制备，保证了后续对介电行为构效关系的研究。通过对二维铌酸基钙钛矿异质结介电性能的研究，揭示了基于二维钙钛矿氧化物可以获得优异的综合介电性能，探明了二维范德瓦尔斯异质结介电性质的结构影响因素和尺寸效应。基于以上研究开发出性能较优的二维介质材料体系，其中二维铌酸钙介质薄膜的介电常数达到了210，经SPS烧结后介电常数可达1250，损耗小于6%；进一步第一性原理计算得出，二维Ca2Nb3O10-－MoS2－Ca2Nb3O10-异质结在垂直于二维面方向上的介电常数达到了158以上，异质结的介电强度达到326 MV/m。以上结果的科学意义在于解释了可以通过二维钙钛矿基单分子片层构建异质结的方法设计合成介电性能同步强化的分子级介电材料。从应用上，本研究成果为未来高集成度、植入式无缘器件、纳米尺度传感器和储能器件所需的分子级介电电容准备了完善的解决方案，可推动我国相关产业的技术升级并占据领先位置。