高性能介电电容器（包括绝缘材料）在先进的电气和电子系统中发挥着至关重要的作用。在脉冲电力系统中，介电电容器具有极高的功率密度（快速充电和放电能力）和更长的使用寿命，这些特性使其与电池和电化学电容器区分开来。然而，介电电容器的能量密度（储能）和效率相对较低，这阻碍了它们在储能系统中的更广泛应用。
Zhan等人报道了一种铁电材料的新设计方法，该方法使多层介电陶瓷电容器（MLCC）的能量密度和效率得到了前所未有的提高。
他们在基于钛酸钡 （BaTiO3） 的具有多晶型弛豫相的无铅 MLCC 中提出了一种高熵设计。这种策略通过降低域切换势垒有效地最大限度地减少了磁滞损耗，并通过晶格畸变和晶粒细化的高原子无序增强了击穿强度。得益于协同效应，MLCC中实现了每立方厘米20.8焦耳的高能量密度和97.5% 的超高效率。这种方法应该普遍适用于设计用于储能和其他相关功能的高性能电介质。
多层陶瓷电容器（MLCC）具有超高功率密度（超快充电/放电速率）和出色的稳定性，在电气和电子系统中具有广泛的应用。然而，通常较低的能量密度Ue 和/或低效率η限制了它们的应用和器件小型化和集成的进一步发展。电容器的储能性能由其极化-电场（PE）回路决定;可恢复能量密度Ue和效率η可以计算如下
其中Pm、Pr 和Uloss分别是最大极化、残余极化和能量损失。因此，为了同时实现超高Ue和η，非常需要大Pm、小Pr和高击穿强度（Eb）的组合。
在过去十年中，人们一直在努力优化这些参数以提高多层陶瓷电容器(MLCCs)的储能性能。通常，为了抑制极化滞后损耗，在基于铁电体的介电材料中构建具有纳米畴结构的弛豫铁电体(RFEs)是一种有效策略[例如BiFeO3、(Bi0.5Na0.5)TiO3 和BaTiO3 ]，这是由于其较低的畴翻转势垒。为了提高击穿场强Eb，采用了精细的微观结构设计，如模板诱导织构化、核壳结构和厚度优化等方法来提高击穿强度。通过合理结合上述策略，目前在〈111〉织构化的Na0.5Bi0.5TiO3–Sr0.7Bi0.2TiO3 (NBT-SBT) MLCC中已实现了最高约21.5J cm−3的可用储能密度Ue。
然而，这种MLCC的能量效率η相对较低，约为80%（即约20%的能量以废热形式损失），这可能会降低累积充放电循环过程中的储能性能。在MLCCs中同时实现高能量密度和高效率仍然是一个亟待克服的巨大挑战。
如前所述，当受到外部电场的影响时，介电电容器会发生极化，即通过负电荷中心和正电荷中心重新排列产生的内部净电场。移除电场后，极化偶极子的恢复会延迟，从而导致残余极化。通常，较大的最大极化和较小的残余极化有利于实现高能量密度（需要大Pm、小Pr）。这需要最小化域切换的能量垒，域切换是指一组离子的极化方向相同但可在电场作用下改变的现象。
在弛豫铁电体中，可以通过引入带有极化角的纳米极区域来实现最小化域切换（或极化反转）的能量垒，这些极化角与大多数材料中表现出的极化方向略微倾斜。为了实现这一点，一种常见的方法涉及引入局部晶格无序的元素掺杂。相比之下，在典型的铁电体中，减少能垒依赖于形态相边界的引入，在该边界处两个或多个相共存，从而减少极性各向异性并促进极化旋转。
从这些不同的铁电案例中汲取灵感，并结合最小化畴尺寸和铁电相混合物的概念，Zhang等人提出了一种减少能量势垒的两步法。首先，作者将包含不同局部对称性（四方和菱面体）的共存纳米域引入基于钛酸钡（BaTiO3）的铁电陶瓷中。这导致了多晶性弛豫态，极化、各向异性和能垒显着减少。这种状态归因于热力学上允许的自发极化矢量，这有利于以更少的能量输入进行极化切换。随后，Zhang 等人通过在 BaTiO3 陶瓷中加入多种元素来实施高熵设计策略，进一步调整了储能密度和效率。
通过常规固态反应法制备了一系列高熵设计的电介质，其成分为BaTiO3、(Ba0.68Bi0.32)(Ti0.68Fe0.32)O3、(Ba0.44Bi0.32Sm0.07Na0.07Sr0.1)(Ti0.68Fe0.32)O3、和 (Ba0.33Bi0.32Ca0.11Sm0.07Na0.07Sr0.1)(Ti0.63Fe0.32Zr0.05)O3。原材料包括BaCO3（99.8%）、Bi2O3（99.99%）、Fe2O3（99.9%）、TiO2（99.8%）、SrCO3（99.95%）、Sm2O3（99.9%）、Na2CO3（99.99%）、CaCO3（99.5%）、ZrO2（99.99%），按化学计量比称重，并额外添加5%的Bi2O3以减少Bi蒸发的影响。称重后的原材料用乙醇球磨18小时，在100°C下干燥3小时，然后在750°C下煅烧3小时。所得粉末再用乙醇球磨24小时，使用0.5wt%的MnO2（99.95%）作为烧结助剂。在100°C下干燥3小时并添加聚乙烯醇（PVA）溶液作为粘合剂后，将粉末压制成直径10毫米的圆片。随后，将圆片加热到600°C保温3小时以去除粘合剂，然后在1050-1300°C下烧结3小时。将圆片抛光至50-100微米厚，并溅射Au电极用于电学测量。将BTO基体粉末与聚乙烯醇缩丁醛粘合剂、邻苯二甲酸二辛酯增塑剂、聚酯/聚酰胺共聚物分散剂在甲苯-乙醇溶剂中混合，并球磨48小时。将假塑性浆料通过带有狭缝模头的卷对卷流延机进行流延成型。干燥后，将单层胶带切割并印刷70Ag/30Pd作为内部电极，然后使用等静压层压精确堆叠六层介电层，并在120 MPa下进行60分钟的等静压成型。将MLCC在280°C下加热6小时以烧除粘合剂，然后在1070-1150°C下烧结3小时。使用银浆作为端接电极进行电气测量。MLCC的长度和宽度约为2.2毫米和1.0毫米。
高熵设计背后的基本原理是引入局部原子无序，其中多个元素占据等效晶格位点 。不同的元素表现出价态、离子半径、电子构型和电负性的变化，导致不同的特性，例如相位稳定、晶格畸变的原子无序和元素的缓慢扩散（见图1）。
将多种元素整合到铁电系统中，创建具有多样化极化方向的纳米畴来破坏长程有序极化的连续性。这种方法降低了畴翻转的能量障碍，增强了极化响应，最终改善了电容器的性能。
高熵的概念在19世纪作为一种材料设计策略出现，但直到2004年才在高熵合金中实际实现。2015年，它扩展到功能氧化物领域，此后不久又扩展到各种铁电材料和器件，从传统到基于弛豫器的铁电系统。例如，该方法用于将十几种不同的离子掺入基于钛酸铅（PbTiO3）的陶瓷和基于铌酸钾钠（KNN）的陶瓷中，从而显着提高了压电、储能密度和超高效率。
同样，Zhang等人通过将Na+、Ca2+、Sr2+、Sm3+ 和 Zr4+ 掺入 BaTiO3 基陶瓷中，引入了局部价异质性。在这种情况下，局部电子价的人为调控会产生扩大的带隙和更稳定的价态，从而导致漏电流减少并显着提高击穿强度。
与传统陶瓷设计策略相比，高熵设计策略的元素选择似乎没有严格的界限。因此，识别和量化哪些元素赋予特定功能和性能将有助于建立一个用于选择高熵掺入元素的通用物理框架。结合人工智能和实验方案的协议，再加上数据科学，可以加速建立统一的设计原则和未来高熵设计的科学框架。
事实上，机器学习算法，包括深度神经网络，已经帮助探索金属合金系统中的高熵化合物。这促进了元素选择、原子尺度结构表征和宏观尺度性质研究之间的互连。然而，机器学习协议的有效性取决于大量的实验数据。这些数据依赖于原子尺度的实验表征来辨别掺入元素的详细分布并建立微观结构-性质关系。
目前的技术在满足这一要求方面似乎存在局限性：透射电镜（TEM）图像提供的二维数据反映了三维原子信息沿观察方向的平均，而三维原子探针（APT）扫描提供了原子位置的三维视图，但位置精度达不到要求。电子叠层衍射成像（ptychography）的最新进展可能提供一种潜在的解决方案：该技术能够沿电子束方向采集深度切片，为层间结构分析提供原子级分辨率信息。
设计无序结构的策略似乎在材料设计中占主导地位。与以单元素、单相、简单结构和长程有序为特征的材料相比，无序的结合为增强材料性能提供了更大的自由度。然而，这种策略也为全面了解它们在影响材料性能中的作用带来了更多挑战。这在解释实验结果时往往会导致矛盾。
为了解决这些问题，重要的是要利用全方位的表征功能以及人工智能，这种组合将有助于驾驭错综复杂的无序，并确保在新材料设计中处于更安全的位置。
TEM薄膜样品是通过在装有酒精的玛瑙研钵中粉碎块状样品制备的，然后将悬浮在酒精中的细小碎片分散到铜网上。高角环形暗场（HAADF）成像工作电压为200kV。HAADF图像的探针会聚角为25mrad，收集角约为48至200mrad。为确定B位阳离子位移矢量，使用HREM滤波器（HREM Research）去除获得的HAADF-STEM图像中的噪声。通过使用CalAtom软件将原子位置拟合为二维高斯峰来确定投影原子位置，从而推断出投影B位阳离子位移（δB）为每个B位阳离子与其最近四个角落阳离子质心之间的矢量。参考资料 M. Zhang et al., Science 384, 185 (2024).
