4月11日，我校物理学院/集成电路学院双聘教授、集成电路学院院长助理李伟伟团队，联合物理学院杨浩教授团队和清华大学南策文院士，在介电储能电容器领域取得重要突破，成功研发出储能密度高达215.8 J/cm3的自组装树枝状纳米复合薄膜电容器，为高性能电容器件开发提供了创新策略。相关研究成果以“Ultrahigh capacitive energy storage through dendritic nanopolar design”为题，发表在国际顶级期刊《Science》上。

论文第一作者为南航物理学院刘亚静博士后、物理学院张洋副研究员、航空学院王婧教授和德国Max Planck研究所Chao Yang博士，论文通讯作者为德国Max Planck研究所Hongguang Wang博士、物理学院杨浩教授、物理学院/集成电路学院李伟伟教授和清华大学南策文院士。论文得到了德国Max Planck研究所Peter A. van Aken教授和英国剑桥大学Judith L. MacManus-Driscoll院士支持。

随着电子器件向高性能、微型化和系统集成化方向快速发展，储能元件在集成电路中的地位愈发关键。特别是在国家“双碳”战略目标的驱动下，发展高能效、低损耗的微型化储能器件已成为突破电子产业能耗瓶颈的关键路径。介电储能电容器因其功率密度高、充放电速度快、响应时间短、循环寿命长以及优异的热稳定性，被广泛视为实现片上电源管理、瞬态电能补偿及高频脉冲电路能量调控的理想选择。然而，受限于传统介电材料的储能密度不足，其在高端集成芯片及微型化系统级封装等前沿领域中仍面临着核心技术瓶颈。

当前制约介电储能电容器件性能提升的关键科学问题，在于极化强度与击穿场强之间存在的“内禀倒置关系”。针对关键科学问题，研究团队原创性提出了在宽禁带绝缘介电材料中引入“树枝状纳米极性（Dendritic Nanopolar, DNP）结构”的设计策略，成功构建了PbZr0.53Ti0.47O3-MgO（PZT-MgO）自组装树枝状纳米复合薄膜模型体系，实现了击穿场强和极化强度的协同优化，最终研制出储能密度超国际同期水平的介电电容器。

DNP结构设计与预测

研究团队首先利用相场模拟对DNP结构进行设计与预测。模拟结果显示，在组分优化后，相较于传统结构，分支状纳米极性复合结构能够显著抑制界面处的局域场集中效应并增加击穿路径的曲折度，从而大幅提升复合结构的击穿场强。同时，DNP复合结构中存在更加无序的铁电R相和T相纳米畴混合，能够赋予该结构优异的储能性能。

DNP复合薄膜结构表征

研究团队基于自组装纳米复合薄膜的构建方法，在宽禁带绝缘体MgO中引入树枝状PZT铁电相。多尺度结构表征证实了DNP结构复合薄膜的成功制备：原子分辨STEM成像显示出PZT与MgO之间清晰可辨的界面；原子位移映射和极化矢量可视化分析更是清楚呈现了PZT区域内部明显的纳米极性畴结构。这些微观特征共同赋予了复合材料优异的宏观储能性能。

DNP复合薄膜介电储能性能

研究团队构建的DNP结构PZT-MgO复合薄膜电容器表现出突破性的储能性能。在摩尔配比为1:1的PZT-MgO复合薄膜中，实现了击穿场强与极化强度的协同提升：在7.4 MV/cm的超高电场下，其储能密度高达 215.8 J/cm3，刷新了当前介电储能电容器领域的国际最高记录。该器件同时具备80.7%的储能效率，兼具高能量输出与低能量损耗。此外，在-100 ℃–170 ℃宽温区范围及1010次疲劳循环测试下，器件性能保持优异的稳定性。

本研究获得了国家自然科学基金基础科学中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家高层次青年人才和江苏省特聘教授等项目的支持。