超高功率密度的介質材料在行動式電子產品、混合動力汽車和先進的推進系統中得到了廣泛的應用。在過去的幾十年裡，具有高擊穿強度（Eb）和高最大電位移（Dmax）的無機/有機介電覆合材料引起了人們的極大關注。無機奈米薄片快速充放電聚合物基複合材料由於減少了薄膜的團聚和導電勢壘的形成而受到廣泛關注，為實現高儲能密度（U）提供了一條更有效的途徑。然而，導電路徑有機會繞過微米大小的奈米薄片，沿著平面外的方向延伸。

來自西安交通大學的學者採用最佳化的轉移和熱壓工藝，將（111）取向的BaTiO3（BTO）薄膜嵌入到聚偏氟乙烯（PVDF）中，獲得了具有良好外延性和鐵電性的大尺寸BaTiO3（BTO）薄膜。由兩層BTO（每層厚度約為222。6。2m）夾層的2D-2D（2-2）型BTO/PVDF複合材料在690MV m-1處的U最高為20。7J cm-3，是純PVDF的1%。相場模擬表明，作為外層的高阻PVDF薄膜可以防止電極的電荷注入，而作為內層的高介電常數薄膜可以有效地抑制跨層間介面的移動電荷，導致擊穿強度的顯著提高。這項工作提出了一種可擴充套件的方法來提高無機/有機複合材料的U，用於先進的儲能材料和應用。相關文章以“2–2 Type PVDF-Based Composites Interlayered by Epitaxial （111）-Oriented BTO Films for High Energy Storage Density”標題發表在Advanced Functional Materials。

論文連結：

https：//doi。org/10。1002/adfm。202108496

圖1。自立式（111）取向BTO薄膜的基本特性。a）自立式（111）取向BTO薄膜的製造工藝示意圖。b）Si襯底上轉移的BTO薄膜的光學影象。c）Si襯底上生長的BTO/SAO/STO異質結和轉移BTO薄膜的XRD圖譜。d）用Lacey碳膜在銅柵上轉移BTO薄膜的高分辨透射電鏡（HRTEM）影象。插圖是該膠片的SAED模式。e）不同電場下Au/Si襯底上轉移的BTO薄膜的D-E環。

圖2。三明治結構BTO/PVDF複合材料的基本特性。a）（111）取向BTO薄膜夾層結構BTO/PVDF複合材料的製備工藝示意圖。b）在Au/Si襯底上製備了純PVDF薄膜和BTO/PVDF複合材料的XRD圖譜。c）具有不同厚度的BTO薄膜的剝離BTO/PVDF複合材料的光學影象。d）BTO/PVDF複合材料的橫截面掃描電鏡影象和相應的EDS圖譜。

圖3。三明治結構BTO/PVDF複合材料的儲能效能。a）介電常數和介電損耗的頻率依賴性，b）Eb和β，c）漏電流密度隨外加電場的變化，d）不同薄膜厚度的三明治結構BTO/PVDF複合材料的U 。

圖4。多層BTO/PVDF複合材料的表徵和儲能效能。a）截面掃描電鏡影象，b）臨界電場下的D-E曲線，c）不同BTO層數的多層BTO/η複合材料的U。d）本研究與其他已報道研究中的U對比圖。

圖5。PVDF和2-2型BTO/PVDF複合材料的相場模擬。研究了a）純PVDF、b）1層BTO/PVDF和c）2層BTO/PVDF複合材料的電場分佈和擊穿路徑。

綜上所述，本文采用最佳化轉移和熱壓方法設計並製備了外延（111）取向BTO夾層的2-2型BTO/PVDF複合材料。在雙層BTO（每層厚0。2m）的多層複合材料中，由於Dmax和Eb的同時提高，本文獲得了最高的U值20。7J cm-3。Dmax的提高主要歸功於單晶BTO薄膜優異的鐵電性。Eb的增強可以用BTO層和PVDF層之間2-2型介面上的退極化電場抑制介面上的移動電荷來解釋，這一事實與相場模擬的結果是一致的。結果表明，BTO層和PVDF層之間的2-2型介面上的去極化電場抑制了介面上的移動電荷，這與相場模擬的結果一致。今後，該製備工藝還可用於開發單晶鈣鈦礦薄膜夾層的2-2型複合材料，如SrTiO3、BiFeO3等，這種複合材料可以進一步提高U，可應用於電子和電力系統。（文：SSC）

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