薄膜电容器是现代电力装置与电子设备的核心电子元件, 受限于薄膜介质材料的介电常数偏低, 当前薄膜电容器难以获得高储能密度(指有效储能密度, 即可释放电能密度), 从而导致薄膜电容器体积偏大, 应用成本过高。将具有高击穿场强的聚合物与高介电常数的纳米陶瓷颗粒复合, 制备聚合物/陶瓷复合电介质, 是实现薄膜电容器高储能密度的有效策略。对于单层结构的0-3型聚合物/陶瓷复合电介质, 其介电常数与击穿场强难以同时获得有效提升, 限制了储能密度的进一步提高。为了解决此矛盾, 研究者们叠加组合高介电常数的复合膜与高击穿场强的复合膜, 制备了2-2型多层复合电介质, 能够协同调控极化强度与击穿场强来获取高储能密度。研究表明, 调控多层复合电介质的介观结构与微观结构, 可以实现优化电场分布、协同调控介电常数与击穿场强等目标。本文综述了近年来包括陶瓷/聚合物和全有机聚合物在内的多层聚合物基复合电介质的研究进展，重点阐述了多层结构调控策略对储能性能的提升作用，总结了聚合物基多层复合电介质的储能性能增强机制, 并讨论了当前多层复合电介质面临的挑战和发展方向。
薄膜电容器 多层聚合物基复合电介质 介电常数 击穿场强 储能密度 综述 film capacitor multilayer polymer-based composite dielectric dielectric constant breakdown strength energy storage density review
1 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电子工程中心，北京 100049
粒子加速器极大地推动了近代科学的发展。目前成熟的射频加速方案受限于不足100 MV/m的加速梯度，面临造价高、占地面积广、建设周期长等挑战，同时也限制了其在一些领域的应用和推广。因此，寻求新型的电子加速技术已成为加速器领域的重要研究方向。在更高频率的太赫兹和光频波段，太赫兹波导加速和电介质激光加速技术能够提供高达GV/m量级的加速梯度，近年来已相继实现了对非相对论和相对论电子的加速及相空间操控（如脉宽压缩、空间聚焦等），并演示了级联加速方案，为实现小型化的集成加速器奠定了基础。未来，集成加速器有望在实验室范围实现大型射频粒子加速器的功能，并引起物理、化学、生命科学、医学等多学科领域的突破。为更好地把握集成电子加速器的发展，梳理了从太赫兹波到光波驱动的电子加速研究进展，介绍了相干电子源和束流控制的相关技术，并进一步展望了新型集成加速器的研究和应用。
太赫兹 电子加速 电介质激光加速 集成加速器 中国激光
2023, 50(17): 1714008
1 武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院, 武汉 430070
2 武汉理工大学材料科学与工程学院, 武汉 430070
机器学习已成为新材料研发的重要变革性手段, 但材料数据样本量少、噪音高等特点为数据驱动的研发模式带来巨大挑战。本工作将无监督学习应用于挖掘高介电常数的钙钛矿材料。针对标签数据少的问题, 通过聚类学习的方法不断优化迭代来缩小搜索空间, 最终筛选出了BaHfO3和BiFeO3等20种具有高介电常数潜力的钙钛矿材料, 并通过降维分析等手段从元素种类、晶体结构和容忍因子等方面展开规律分析, 挖掘钙钛矿材料结构与介电常数之间的关联。该方法为解决材料性能数据标签的缺失提供了一种思路, 可应用于筛选和挖掘其他新型功能材料。
介电常数 机器学习 钙钛矿材料 电介质材料 dielectric constant machine learning perovskite materials dielectrics
1 内蒙古科技大学材料与冶金学院, 内蒙古自治区铁电新能源材料与器件重点实验室, 内蒙古 包头 014010
2 内蒙古科技大学化学与化工学院, 内蒙古 包头 014010
电介质储能材料被誉为“现代工业的血液”, 具有介电常数高、损耗低、功率密度大、充/放电速度快、可靠性好等优点, 是各类脉冲电力电子系统元器件的关键部件, 受到了科学界广泛的关注。但其储能密度低、效率差的缺点也极大地限制了多领域的应用。如何显著提高电介质材料的储能性能成为近年来功能陶瓷研究的热点之一。本工作对比了无机电介质储能材料的性能优势, 概述了电介质材料储能原理和储能特性的主要参数, 分析了线性电介质、弛豫铁电体、反铁电体等多种无机材料体系的组分设计思路和储能特性, 涵盖了陶瓷、膜及多层陶瓷电容器等多种材料形式, 并从材料组成、结构、制备工艺等多方面讨论了性能调控方法与增强机制, 最后分析了无机电介质储能材料所面临的机遇和挑战, 展望了其在未来的发展趋势。
电介质材料 电容器 储能特性 综述 dielectric materials capacitors energy storage performance review
1 吉林建筑大学 电气与计算机学院，吉林省建筑电气综合节能重点实验室，吉林 长春 130118
2 吉林建筑大学 寒地建筑综合节能教育部重点实验室，吉林 长春 130118
3 吉林师范大学，吉林 四平 136099
为了有效提高柔性薄膜晶体管的电学性能，室温条件下，在聚酰亚胺（PI）衬底上使用、两种高介电常数材料相结合的叠层结构代替单层作为栅电介质，探究其对器件电学性能的影响。采用磁控溅射法制备薄膜，研究了叠层栅电介质结构中层在不同溅射时长、不同氧氩比条件下对于器件电学性能的影响，并进行/叠层栅电介质器件与单层栅电介质器件的比较。结果表明，栅电介质层在溅射时长为1 h、氧氩比为10∶90时，器件电学性能达到最佳。叠层栅电介质结构的引入显著提高了器件电学性能，电流开关比为1.27×，阈值电压为9.1 V，亚阈值摆幅为0.54 V/decade，载流子迁移率为7.03 /（V·s）。
PI 叠层栅电介质 磁控溅射法 溅射时长 氧氩比 PI stacking gate dielectric magnetron sputtering sputtering time oxygen-argon ratio
郑州大学信息工程学院河南省激光与光电信息技术重点实验室，河南 郑州 450001
为了实现对可见光波束的自由调控，提出了一种梯形单元结构的超表面。改变硅纳米微元的上下底和宽，对传输相位进行调制，实现了在目标波长下0到2π透射相位的调控。利用该结构设计的超构表面可以同时对线偏振光和圆偏振光进行调控，实现了在波长为640 nm线偏振光和圆偏振光入射下的聚焦。此外，研究了聚焦特性以及在线偏振光入射下晶格周期对聚焦特性的影响。该项工作为基于超表面结构设计的集成光学提供了新的思路。
光学设计与制造 超表面 聚焦 超透镜 可见光 电介质 激光与光电子学进展
2022, 59(17): 1722003
1 中国科学院 上海技术物理研究所，上海200083
2 中国科学院 红外成像材料与器件重点实验室，上海00083
3 中国科学院大学，北京100049
4 上海市实验学校，上海200135
超构表面阵列分光具有高透射、低损耗、高集成度的特点，是当前微纳结构领域的研究热点。本文提出了一种由Si和SiO2组成的超构表面红外分光阵列。以不同波长的红外光入射单元，仅改变圆柱半径，分别计算不同波长的透射率和出射相位随半径的变化。根据广义斯涅尔定律，选择具有不同圆柱半径的若干单元组成超构表面分光周期。该周期对不同波长的入射光具有对应的透射相位梯度，验证了超构表面阵列具有分光功能。对超构表面红外分光阵列可能的应用提出了展望。结果表明：以半径为150，250，300 nm的3个Si纳米柱组成的超构表面周期可以将波长2.7 μm和2.9 μm的混合入射红外光分离，并且透射率达到70%以上。
光电器件 红外分光 超构表面 电介质 相位 photoelectric device infrared splitter metasurface dielectric phase
1 安庆师范大学 数理学院， 安徽 安庆 246133
2 河南理工大学 物理与电子信息学院， 河南 焦作 454003
3 电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室， 成都 610054
基于金属/介质/金属(MIM)波导，提出了一种两侧含有双环、四环谐振腔的等离激元波导滤波结构，采用电磁仿真计算了其电磁传输特性，通过场分布分析了透射谱中通带和谷值产生的物理机理。仿真结果表明该结构可实现等离激元诱导透明(PIT)，通过改变谐振腔的有效半径，可调节PIT窗口的位置、带宽和慢光效应。计算结果显示在双环和四环谐振结构的PIT窗口，可以实现0.148和0.358ps的信号延迟。这一特性在可调滤波器件、光存储器件和集成光子器件设计上具有潜在应用价值。
金属/电介质/金属波导 等离激元诱导透明 谐振腔 MIM waveguides plasmon induced transparency resonator
