电容器是现代电子和电力系统的重要组成部分，具有快速存储和释放电能的功能。然而，与电池或燃料电池等其他存储系统相比，最常用的电池能量密度较低，而电池或燃料电池又不能在不持续损坏的情况下快速放电和充电。
现在，正如《科学》杂志所报道的，研究人员发现了这两个世界的优点。通过引入隔离缺陷类型的商用薄膜在一个简单的后处理步骤中,为首的一个研究小组在美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)表明一个常见的材料可以加工成表现储能材料。
这项研究是由“材料项目”(Materials Project)支持的，杏耀资金“材料项目”是一个开放访问的在线数据库，它实际上为全球的科学家提供了最大的材料属性集合。今天，材料项目结合了计算和实验的努力，在其他目标中，加速新功能材料的设计。这包括理解如何操纵已知材料以提高其性能。
对降低成本和器件小型化的需求不断增长，推动了高能量密度电容器的发展。电容器通常用于电子设备中，在电池充电时维持电源供应。伯克利实验室开发的新材料最终可以将电容器的效率、可靠性和鲁棒性与大型电池的储能能力结合起来。应用包括个人电子设备、可穿戴技术和汽车音频系统。
这种材料是基于所谓的“弛缓铁电”，它是一种陶瓷材料，能对外部电场产生快速的机械或电子反应，通常用作超声波、压力传感器和电压发生器等应用中的电容器。
外加场驱动材料中电子方向的改变。与此同时，电场驱动了存储在材料中的能量的变化，使它们成为小型电容器之外的一个很好的应用对象。要解决的问题是如何优化铁电体，使其能够以高电压充电和快速放电(数十亿次或更多)，而不会造成持续的损害，使其不适宜于在电脑和汽车等应用中长期使用。
莱恩·马丁是伯克利实验室材料科学部(MSD)的教职科学家，也是加州大学伯克利分校材料科学与工程教授，他的实验室的研究人员通过引入局部缺陷使其能够承受更大的电压来实现这一目标。
“你可能在煤气炉上经历过弛缓铁电体。照亮烤架的按钮操作一个弹簧锤，弹簧锤敲击压电晶体，这是一种松弛剂，并产生电压点燃气体，”马丁解释说。“我们已经证明，它们也可以被制成一些最好的储能材料。”
在两个电极之间放置铁电材料并增加电场会导致电荷增加。在放电过程中，可用能量的大小取决于材料的电子在电场作用下定向或极化的强度。然而，大多数这样的材料在材料失效之前通常不能承受大的电场。因此，最根本的挑战是找到一种方法，在不牺牲极化的情况下增加最大可能的电场。
研究人员转向他们之前开发的“关闭”材料导电性的方法。通过用被称为离子的高能带电粒子轰击薄膜，他们能够引入孤立的缺陷。这些缺陷捕获了材料的电子，阻止了电子的运动，并将薄膜的导电性降低了几个数量级。
“在本应是绝缘体的铁电体中，电荷渗漏是一个主要问题。通过用高能离子束轰击铁电体，我们知道我们可以使它们成为更好的绝缘体，”Jieun Kim说，他是马丁小组的博士研究员，也是该论文的第一作者。“然后我们问，我们是否可以用同样的方法，让松弛铁电在灾难性地失效之前承受更大的电压和电场?”
答案是肯定的。金首先制作了一种典型的弛缓铁电薄膜，
杏耀平台经营之道 ，称为铌酸铅镁钛酸铅。然后，他在伯克利实验室加速器技术与应用物理(ATAP)部门的离子束分析设备中，用高能氦离子对薄膜进行定向。氦离子撞击靶离子，产生点缺陷。测量结果显示，离子轰击薄膜的能量存储密度是之前报道的两倍多，效率也提高了50%。
“我们最初期望的影响主要是减少泄漏与孤立点缺陷。然而，我们意识到，杏耀平台由于某些缺陷引起的极化-电场关系的变化也是同样重要的。”Martin说。“这种变化意味着需要越来越大的外加电压来产生极化的最大变化。”结果表明，离子轰击可以帮助克服高极化率和易破碎之间的权衡。
同样的离子束方法也可以改善其他介电材料以提高能量存储，并为研究人员提供一种工具来修复已合成材料中的问题。金姆说:“如果在合成或生产过程不完美的情况下，人们使用这些离子束方法来‘修复’设备中的材料，那将是一件很棒的事情。”
