介电电容器对于现代电力和电子系统至关重要,准确评估其介电性能至关重要。然而,在许多现有的报道中,电极附近的边缘效应和测试电路中的寄生电容常常被忽略,导致介电性能被高估。
2025年1月11日,中国科学技术大学
李晓光
教授、
殷月伟
教授、
沈胜春
教授在国际知名期刊
Nature Communications
发表题为《Overrated energy storage performances of dielectrics seriously affected by fringing effect and parasitic capacitance》的研究论文,
博士生
丁崧、博士生贾江恒、硕士生徐博
为论文共同第一作者,
李晓光教授、殷月伟教授、沈胜春教授
为论文共同通讯作者。
李晓光
,中国科学技术大学教授,国家杰青(1994)。1982年本科毕业于安徽大学,1985年和1989年在中国科学院固体物理研究所获硕士和博士学位,随后在中国科学技术大学从事博士后研究,1990年加入中科大,曾先后在日本东京大学(日本学术振兴会研究员)、香港理工大学、香港大学、日本东京工业大学从事科学研究工作。1993年晋升为中国科学技术大学教授。
李晓光教授的研究兴趣为1.多铁性薄膜、异质结构及相关非易失性存储器件、自旋电子学;2.高Tc化合物和锰酸盐材料的微观结构、电子和磁性能;3.纳米结构材料的电、磁和热电性质。
他在高水平国际学术期刊发表文章400篇,其中包括
Nature Materials、Nature Commn.、Adv. Mater.、Phys. Rev. Lett.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Edit.
等刊物,论文被引用9000次。
殷月伟
,中国科学技术大学教授,国家杰青。2007年和2012年在中国科学技术大学获得学士和博士学位,博士期间在宾州州立大学被联合培养。2012-2017年先后担任中科大特任助理研究员、特任副研究员,在此期间先后在宾州州立大学、内布拉斯加大学林肯分校从事博士后研究。2017年担任中科大特任教授。
殷月伟教授目前研究方向为铁电与介电;磁电耦合与多铁性;信息存储和存算一体。共发表第一/(共同)通讯作者论文60余篇。
沈胜春
,中国科学技术大学特任教授,国家优青。2010年本科毕业于天津师范大学,2016年博士毕业于北京师范大学。2016-2021年在清华大学从事博士后研究,随后留校担任一年的助理研究员。2022年加入中科大,2025年晋升为特任教授。
沈胜春教授目前的研究方向为磁电耦合和多铁性材料、自旋电子学、强关联功能氧化物薄膜。近年来,他主要在功能氧化物材料的物性调控、材料设计及信息存储功能等相关方面开展研究,并取得了一定进展,相关成果已发表在
Nat. Mater.、Phys. Rev. X、PNAS、Nat. Common.、Adv. Mater.
等期刊上。
这里,作者从实验和理论上研究了边缘效应和
寄生电容
对不同电介质(包括Al
2
O
3
、SrTiO
3
等)的严重影响。对于使用不同面积的不对称电极的电容器和具有较低电介质的测量,偏差更为严重,并且需要注意介电常数以及硅油和空气环境中测试的差异。
为了保证介电性能测量的准确性,作者还提出了校准测试电路寄生电容的方法。增大电极直径和/或减薄样品可以减少上述偏差,因此研究团队提出了设置电容器配置的通用标准以保证测量有效性。
研究表明,有必要减轻边缘效应并减去寄生电容,来解决高估介电性能的问题,这对于介电研究的健康有序发展非常重要。
图1:不同电极直径样品的击穿强度和能量密度
图2:不同
d/t
比样品的测量介电常数
图3:
空气和硅油中具有非对称电极的Al
2
O
3
样品的测量介电常数
图4:不同
d/t
比Al
2
O
3
电容器的FEM模拟
图5:不同介电常数样品的FEM模
拟