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新型高级电介质:通过改变原子层结构控制介电常数

2017-08-08 22浏览 标签: 电介质


国立研究开发法人物质·材料研究机构(NIMS)、国际纳米材料结构设计研究基地主任研究员长田实和佐佐木高义研究小组制作了因高级电介质而著称的层状钙钛矿结构的纳米片,通过控制原子层构造实现了更高的介电常数,并成功开发出了在厚度为10nm以内纳米尺度领域内、世界上目前为止性能最高的(介电常数达470)的电介质膜。


该成果于2017年7月27日被刊登在美国化学会学术杂志《Journal of the American Chemical Society》的网页版上


以石墨烯为代表的电子层物质、二维物质在世界上被广为研究,具有薄、强韧、高导电性的特点。


在探讨二维物质电子装置的应用中,主流是旨在开拓石墨烯新性能的研究。特别是兼具储存电荷和绝缘性的电介质是电容器、内存、晶体管等电子装置中不可或缺的材料。但是迄今为止所开发的二维物质多为导电材料,因此二维物质中具有高导电率又能随意控制其特性的材料的开发一直为世人所期待。




该研究小组以氧化纳米片为基材进行电介质材料的研发。在以高级电介质而著称的层状钙钛矿构造的一系列物质中,成功开发出了具有世界上最高介电常数的电介质纳米片(Ca2Nam−3NbmO3m+1; m = 3–6)。


这种电介质具有独一无二的特征——通过在原子层控制结构的方式来控制介电常数。事实上,m值的变化会增加一个厚度为0.4nm的金属氧八面体,由三个八面体构成的三层电介质的介电常数(210)逐个增加约80。


八面体数为6个的6层电介质,在厚度为10nm以内的纳米尺度领域内显示出了稳定的导电性和绝缘性,实现了世界上最高的介电常数470和高电容量(203 μF/cm2)。


利用这一特性就能开发出高性能的电容器元件,同时与传统的高级电介质相比,不仅缩小到1/100,并且达到1000倍以上的大容量。


此次的研发成果不仅为高级电介质材料的开发指明了新的设计方向,还为今后将纳米片所具有的高容量和高度绝缘的特征应用到大容量电容器中提供了可能。



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