电智学院教师孙梓雄在国际知名期刊发表电介质储能最新研究成果

“田忌赛马”是我国战国时期的著名成语典故，流传至今，影响深远。当时齐国流行赛马，大将田忌经常输给齐威王。一日，好友孙膑建议让田忌的上、中、下马分别对战齐威王的中、下、上马。不出所料，田忌以两胜一负的成绩最终赢得比赛。即“今以君之下驷与彼上驷，取君上驷与彼中驷，取君中驷与彼下驷。而田忌一不胜而再胜，卒得王千金”。其核心逻辑可解释为以牺牲下等马为代价从而取得另外两场比赛的胜利，也即通过牺牲次要因素来实现主要目标。

图1 受“田忌赛马”典故启发，以牺牲电滞回线负向铁电性为代价来提升其正向储能密度

铁电材料的电滞回线是以原点对称的曲线，而电介质储能在实际应用往往只考虑其第一象限，即外加电压一般为正向的三角波或正弦波，此时电滞回线的第三象限实则无用。受“田忌赛马”典故的启发，若能以牺牲第三象限这个次要因素来进一步提升第一象限的击穿场强（E_b）或最大极化强度（P_max），则可从一个额外的自由度提高铁电材料的储能密度。在半导体理论中，金属-n型半导体接触（metal-n-type semiconductor contact）往往会由于在界面处形成肖特基接触而使其I-V特性曲线出现不对称现象，即整流现象。基于此，在铁电氧化物薄膜的生长过程中，若在电极附近诱导出合适的氧空位，则可在理论上使薄膜拥有“铁电半导”行为，即同时呈现电滞回线的滞回性与I-V特性曲线的整流性。电智学院孙梓雄博士凭借前期对铁电忆阻器的研究基础，经过对氧压与薄膜厚度的多尺度调控，以生长次序与生长周期为双变量，利用脉冲激光沉积（PLD）技术生长出由常规BCZT层与缺氧型BCZT层组成的多层薄膜。发现当以缺氧型BCZT为起始层的单周期薄膜具有最高击穿场强与最佳储能特性。经分析，该结果是由于底电极与薄膜界面处形成的肖特基势垒重新优化了多层薄膜的分压，以牺牲薄膜负向铁电性为代价提高了薄膜正向的击穿场强。

图2 不同结构薄膜在正向三角波下的电滞回线与BCZT/BCZT-OD//(1P)薄膜/电极界面附近在正偏压下的能带结构

电介质储能的常规研究策略主要集中在界面工程（Interface Engineering）与电畴工程（Domain Engineering）等，即电介质本身，本研究则聚焦与优化电介质与电极之间的相互作用，为高性能电容器的设计与研发提供了思路。该项工作受到国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目，国家留学基金委博士后项目等项目的资助。全文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/mh/d4mh01651c。

新闻小贴士：

孙梓雄博士长期从事电子信息功能材料与器件及其智能化的相关研究，近年来发表多篇高水平论文：

1. Zixiong Sun*, Haoyang Xin, Liming Diwu, Zhanhua Wang*, Ye Tian, Hongmei Jing*, Xiuli Wang, Wanbiao Hu, Yongming Hu, Zhuo Wang*, Boosting the energy storage performance of BCZT-based capacitors by constructing the Schottky contact, Mater. Horiz. 2025, DOI: 10.1039/D4MH01651C.

2. Zixiong Sun*, Yuhan Bai, Hongmei Jing*, Tianyi Hu, Kang Du, Qing Guo, Pan Gao, Ye Tian, Chunrui Ma, Ming Liu*, Yongping Pu*, A Polarization double-enhancement strategy to achieve super low energy consumption with ultra-high energy storage capacity in BCZT-based relaxor ferroelectrics, Mater. Horiz. 2024, 11, 3330-3344.

3. Zixiong Sun*, Hansong Wei, Shibo Zhao, Qing Guo, Yuhan Bai, Siting Wang, Peiyao Sun, Kang Du, Yating Ning, Ye Tian, Xiaohua Zhang, Hongmei Jing, Yongping Pu, Sufeng Zhang*, Utilizing the synergistic effect between the Schottky barrier and field redistribution to achieve high-density, low-consumption, cellulose-based flexible dielectric films for next-generation green energy storage capacitors, J Mater. Chem. A, 2024, 12, 128-143.

4. Zixiong Sun*, Jiaqi Liu, Hansong Wei, Qing Guo, Yuhan Bai, Shibo Zhao, Siting Wang, Lei Li, Yutao Zhang, Ye Tian, Xiaohua Zhang, Hongmei Jing, Yongping Pu, Sufeng Zhang*, Ultrahigh energy storage capacity in multilayer-structured cellulose-based dielectric capacitors caused by interfacial polarization-coupled Schottky barrier height, J Mater. Chem. A, 2023, 11, 20089-20101.

5. Zixiong Sun*, Shibo Zhao, Ting Wang, Hongmei Jing*, Qing Guo, Ruyue Gao, Liming Diwu, Yongming Hu*, Yongping Pu*, Achieving high overall energy storage performance of KNN-based transparent ceramics by ingenious multiscale designing, J Mater. Chem. A, 2024, 12, 16735-16747.

（核稿：雷涛 编辑：刘倩）