介電材料選擇的案例
中科院納米能源所王杰&王中林團隊《JMCA》：基于介電材料選擇和表面電荷工程的抗高濕度摩擦電納米發電機
作為一種革命性的能量收集技術，摩擦電納米發電機（Triboelectric Nanogenerator，簡稱TENG）不僅提供了一種可持續、分布式能源供給技術，而且構建了無需外部電源的自供電系統，具有成本低、質量輕、材料選擇廣、低頻下轉換效率高等優勢。然而，高濕環境中水分子形成的導電通路引起的表面電荷耗散，顯著降低TENG的輸出性能，從而影響其能量收集和長期穩定運行。課題組前期通過電荷快速積累技術(Advanced Energy Materials, 2021, 2100050)及雙電容增強技術(Advanced Energy Materials, 2021, 2101958)，已顯著提升TENG高濕環境下輸出性能。但環境濕度對TENG表面電荷的影響機制尚不清楚。因此，需要一種有效的策略來提高TENG在高濕環境下的輸出性能，并進一步研究高濕環境下表面電荷的衰減機理。
近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王杰研究員與王中林院士領導的科研團隊提出通過介電材料選擇和表面電荷工程，提出了一種新型抗高濕度TENG。以接觸-分離模式TENG為測量工具，系統地研究了相對濕度對常用介電材料表面電荷衰減的影響。結果表明，介電材料表面剩余電荷量隨介電材料疏水性的增加而增加，高濕環境下更為明顯。此外，表面電荷的衰減與電荷種類有關，濕度條件下離子電荷比電子電荷更穩定。通過耦合高疏水介電材料聚四氟乙烯和離子注入法，TENG在90%相對濕度的極端環境下連續運行50000次，仍保持了高達91%的輸出性能。
展開 【科普系列】電磁波的“克星”—介電損耗型吸波材料
因此, 科研工作者一直致力于研究具有耐高溫、低密度、高強度、高韌性等優良性能的吸波材料。這使得介電損耗型吸波材料在電磁波吸收領域飛速發展。
介電損耗性吸波材料有哪些?
介電損耗型吸波材料一般是由高導電性碳質納米粒子、介電陶瓷納米粒子和金屬半導體氧化物組成各種混合型納米結構的復合材料，復合后可產生額外的界面相互作用，且氧空位的存在會引起界面極化和缺陷偶極子，從而使材料表現出更大的介電損耗和高效的微波吸收，同時降低了吸波劑的密度。
01碳基吸波材料
碳基吸波材料因其具有表面性能可調﹑高強度質量比、超強耐腐蝕性能、超薄結構特性、超高載流子遷移率(～200000 cm2? v-1? s-1 )、高的導熱系數(～5300 W?m-1? K-1)等優勢, 使其備受國內外科研人員的關注。碳材料通過結構設計和構造界面層次來提高材料的吸波性能 (例如:碳納米管從單壁到多壁甚至于可垂直排列的陣列) 進而滿足部分設備需求, 但是材料本身存在一定的缺陷和不足, 以至于應用受到限制。
展開 《先進功能材料》智能介電彈性體驅動器：電場與力學自愈合
介電彈性體由于具有質量輕，柔韌性好，高能量密度以及響應迅速等優良特性，在驅動器，軟體機器人，電子皮膚，人工肌肉，能量采集等領域具有重要的應用前景。常規驅動電壓一般 > 1kV，容易使材料發生介電擊穿，同時材料在使用時不可避免地產生內部局部損傷,也會導致材料失效從而縮短使用壽命。采用具有自愈功能的介電智能材料，能使其自發進行自我修復，從而延長電容器使用壽命。
英國華威大學 (University of Warwick)的Chaoying Wan 課題組 (通訊作者)及其博士生Chris Ellingford聯合英國巴斯大學(University of Bath)的張妍博士(Yan Zhang, 第一作者)和 Chris Bowen教授等研究人員，通過一步法改性商品化熱塑性彈性體，制備了一種具有高介電和自愈合功能的新型彈性體材料，首次報道了其電學與機械(圖１)自愈合能力以及驅動性能，研究成果近期發表在Advanced Functional Material上。
圖１MGSBS的力學損傷及其修復過程。
自愈后的材料在“傷口”界面處有一定的雜質或空氣，當對材料施加電壓時，電場會在這些低介電常數的區域集中，使得愈合后的材料在發生介電擊穿時依然在這些“傷口”區域，如圖2的模擬結果所示。將材料在33 %進行預拉伸制成介電驅動器，其驅動性能結果顯示經介電擊穿后并自我修復完的材料有67 %的恢復水平，經力學損傷后并自我修復完的材料具有損傷前材料介電強度的39 %，如圖3。
圖2自愈合聚合物材料介電失效的有限元分析
圖3 基于MGSBS介電聚合物材料的驅動器及其自愈合能力
研究報告發表于《先進功能材料》雜志。
展開 曼大《Science》子刊：材料介電函數的自洽性，精確計算范德華力！
通常的誤差，來自于不準確的估計介電函數，其基于單諧振子來解釋光的紫外(UV)區域的吸收波段。
基于此，研究者提出了一個計算55種材料卡西米爾- vdw力所需的全頻范圍內的介電函數的理論框架，包括各種金屬，半導體和絕緣體，有機和無機等。研究者利用光和規則和Kramers-Kronig關系，驗證了編譯數據的內部一致性。與此同時，研究者證明了基于這些數據計算的vdW力與實驗測量的vdW力非常吻合。
圖1 水的介電函數。
圖2 改進的諧振子模型。
圖3 用改進的諧振子建立半導體和絕緣體介電函數的電子部分的模型。
圖4 金屬中卡西米爾- vdw力大小的分析。
圖5 Casimir-vdW力的測量與計算比較。
綜上所述，研究者通過對大量不同材料的自洽介電函數的實驗測量，引入了一種新的經驗修正諧振子模型。這種改進的模型可以預測只有四個輸入的半導體和絕緣體的電子極化：電子介電常數，光學帶隙，密度和化學成分。基于改進模型計算的估計力，與實驗測量的Casimir-vdW力非常吻合。在金屬的例子中，研究者的分析表明，一旦系統中載流子與總電子的比例變小，帶間躍遷對vdW-Casimir力大小的作用就變得至關重要。（文：水生）
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實用！
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介電彈性體人工肌肉Acc. Chem. Res.綜述：材料創新和器件探索
目前尚不清楚哪種材料最終會形成理想的人造肌肉。從形狀記憶合金（SMA），到氣動制動器，再到電活性聚合物（EAP）都可能實現人造肌肉目標的核心。其中，EAP是和天然生物材料最為接近的人造材料，它們包括離子注入和基于電場的致動機制。
【成果簡介】
在EAP的領域中，最主要的研究方向是介電彈性體（DEs），它們應變大、斷裂韌性和功率重量比與天然肌肉相近。雖然介電彈性體致動器（DEAs）在過去的20年里展現了巨大潛力。如何解決圍繞DEA的核心問題，包括改善其在溫度和電壓方面的操作范圍，為材料添加新功能，以及提高它們所依賴的組件的可靠性。
近日，加州大學洛杉磯分校的裴啟兵教授（通訊作者）在Acc. Chem. Res.上發表了一篇題為 “Dielectric Elastomer Artificial Muscle: Materials Innovations and Device Explorations” 的綜述文章，涵蓋了該課題組和其他人在相關領域的重要研究。同時，本文還討論了可變剛度聚合物，特別是雙穩態電活性聚合物，對于軟驅動器技術通常無法實現的結構應用的開放式DEA，探索了與高度柔順和透明電極相關的科技進步。最后，文章介紹了應用前景及當前DEA技術面臨的挑戰，并推測可能進一步推進基于DE的人工肌肉整體的研究方向。
【圖文導讀】
圖1 DEA的工作原理示意圖
DEA由夾在兩個柔性電極之間的彈性體組成，當施加電壓時，發生電荷分離并在膜上引起靜電壓力，這會使薄膜變形，增加其面積并減小其厚度。
圖2 VHB丙烯酸彈性體的驅動性能。
展開 四川大學傅強教授和韓迪博士團隊AFM：基于POSS的超低介電常數材料——籠子大小的影響
圖2 c-T8B8、c-T10B10和c-T12B12三種材料相應的POSS籠體積和介電常數之間的關系以及基于更大尺寸的T14、T16和T18 POSS的材料的介電常數預測值
研究發現隨著POSS籠子尺寸的增加，材料的k值和損耗都呈現下降趨勢（c-T8B8、c-T10B10和c-T12B12在1 MHz時的k值分別2.24、2.02和1.83，損耗分別為0.003，0.0018和0.0015）。正電子湮滅壽命譜證明增大POSS籠子尺寸能賦予材料更多的孔隙（圖3），這也是k值降低的主要原因。有趣的是，該體系中材料的k值與相應POSS的體積呈現線性關系（如圖2所示）。可以預見的是，使用更大籠子尺寸的T14、T16和T18 POSS有望將材料的k值降低到1.5以下。此外，所得材料還呈現出優異的綜合性能，如高透明性、低表面粗糙度（圖4）、優異的熱穩定性和力學性能、疏水性，即使在水中浸泡3天或在300℃高溫下，這些材料依然能維持優異的介電性能（圖5）。本項工作不僅為綜合性能優異的超低介電常數材料的開發提供了新的思路，也為未來集成電路用超低介電常數材料提供了備選。
展開 Rev.》綜述: 儲能電容器用全有機聚合物介電材料的進展與展望
圖2 論文目錄
本綜述首先介紹了薄膜電容器介電材料的相關理論基礎，包括極化、擊穿機理以及介電損耗；然后詳解介紹了從材料到器件的大規模制備流程；接著總結了儲能電容器領域基于全有機聚合物材料的最新研究，從本征聚合物、分子鏈改性聚合物、多相聚合物角度入手，重點關注提高介電性能和儲能性能的策略；最后回顧了計算機輔助計算，包括密度泛函理論、機器學習和材料基因組等，在聚合物電介質的合理設計和性能預測中的應用。基于對近期該領域研究進展的全面總結，作者提出了用于儲能電容器用的全有機聚合物介電材料未來發展的挑戰與展望。
圖3 存在的挑戰和未來的展望
該論文第一作者為清華大學博士生馮啟琨，通訊作者為清華大學電機系黨智敏教授，其他合作者還包括清華大學電機系博士后鐘少龍、清華大學電機系博士生裴家耀、鄭州大學電氣學院講師趙玉、清華大學電機系博士后張冬麗、清華大學電機系博士生劉荻帆和清華大學電機系博士生張涌新。《Chemical Reviews》于1924年由美國化學會（American Chemical Society）發行, 是國際化學化工領域影響力最高的學術期刊之一，2020年影響因子為60.622，在化學類期刊中排名第一。該研究工作得到了國家重點研發計劃基金和國家自然科學基金支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00793
作者簡介：
馮啟琨，清華大學電機系2019屆博士生，導師為黨智敏教授，主要從事高儲能電容器用薄膜電介質以及先進絕緣材料的研究，已在Compos. Sci. Technol., Appl. Phys.
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