近日，南京理工大学材料科学与工程学院刘丽莎教授与合作者在电介质材料领域取得重要突破。相关成果以题为“Thermal cycling-induced nitriding increases energy-storage density in titanate ferroelectric films”发表于国际学术期刊《Science》。南京理工大学刘丽莎教授与香港城市大学张树君教授为论文共同通讯作者；江苏理工学院乙姣姣教授为论文第一作者。论文在达姆施塔特工业大学沈忱博士、香港理工大学陈子斌助理教授、清华大学李敬锋教授、洛桑联邦理工Dragan Damjanovic教授合作下开展。
全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb5274
电介质电容器具有功率密度高、充放电速度快和循环寿命长等优势，是脉冲功率系统、电动交通、医疗电子等领域的关键储能元件。然而，无机铁电薄膜的最大极化强度提高往往伴随剩余极化增加，同时极化能力与击穿场强之间普遍存在此消彼长的制约关系，限制了其储能密度的进一步提升。
针对这一难题，本工作创新提出基于“冷热循环”的后处理调控新策略，在保持击穿场强的同时，显著提高了钛基铁电薄膜的最大极化强度和有效极化差，实现了261 J cm⁻³的储能密度和约79%的储能效率，为突破高极化强度与高击穿场强难以兼顾的性能瓶颈提供了新的技术路径。研究进一步揭示，冷热循环通过氧空位锚定、机械能驱动以及过渡金属与N₂分子之间的σ–π电子相互作用，促进铁电氧化物薄膜原位氮化和Ti–N键形成，进而增强晶格极化能力。该成果为铁电薄膜铁电极化能力与储能性能调控提出了新的后处理策略。
值得注意的是，本工作不仅通过后处理策略实现了铁电材料性能的显著提升，还开创了一种氮氧化物制备的后处理调控新范式，为铁电氮氧化物研究开辟了新方向。相较于氧，氮具有更强的2p轨道杂化能力，所以有望增强晶格极性畸变并提升压铁电性能。因此，尽管目前研究和应用最为广泛的铁电材料仍以氧化物为主，理论研究已预测多种氮氧化物具有更优异的性能。然而，现有铁电氮化物及氮氧化物通常采用高温氨解或含氮气氛反应等方法制备。但是N2化学活性低，难以实现充分、可控的阴离子取代；NH3氮化虽然反应活性较高，但会因为氢进入晶格锁定原子位移劣化铁电性能。因此，高性能铁电氮氧化物的可控制备仍面临重要挑战。后处理调控或许可为氮氧化物制备瓶颈注入新的研究思路与理念。
该研究工作得到了中央高校基本科研业务费支持（30921011217)。
图1: CTC循环策略及其极化增强效果
图2:CTC改善储能性能与可靠性
图3:CTC的普适性及Ti–N杂化机制
图4:薄膜内Ti–N杂化形成的实验证据
