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为解决静电介质电容器能量密度低限制下一代器件小型化和集成化的问题，研究人员开展了在 III 族氮化物中诱导顺电 - 亚顺电（PE-MPE）相变以提高能量密度的研究。结果发现 (Al0.28Sc0.59B0.13) N 能量密度可达 308 J/cm3 ，效率近 100%，为设计下一代高性能电介质开辟了道路。
在现代电子和电力设备领域，静电介质电容器凭借其超快的充放电能力和高功率密度，成为推动相关技术发展的关键元件。然而，它却存在一个 “致命短板”—— 能量密度较低。这一问题严重限制了下一代电子设备朝着小型化和集成化方向迈进的步伐。就好比在打造超级迷你的电子产品时，低能量密度的电容器就像一个 “大胖子”，占据了过多空间，还无法提供足够的能量支持。因此，研发出具有高能量密度的可靠高效电介质材料，成为科研人员亟待攻克的难题。
南京大学等机构的研究人员勇敢地向这一难题发起挑战。他们开展了一项关于 III 族氮化物化合物 (Al, Sc, B) N 的深入研究，致力于通过诱导一种特殊的场驱动相变 —— 顺电 - 亚顺电（PE-MPE）相变，来提升氮化物电介质的能量密度。最终，他们成功发现特定阳离子浓度的 (Al
0.28Sc
0.59B
0.13) N 在电场作用下，能实现高达 308 J/cm
3 的巨大能量密度，且效率达到 98%。这一成果为设计下一代高性能电介质电容器指明了方向，有望打破现有电容器能量密度的瓶颈，推动电子和电力设备的进一步发展。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员主要运用了两种关键技术方法。一是第一性原理计算，通过维也纳从头算模拟软件包（VASP），结合投影增强波（PAW）势和 PBEsol 泛函进行计算，以此研究材料的结构稳定性、电场下的电极化和能量存储性能。二是利用特殊准随机结构（SQS）方法结合 mcsqs 代码来确定 (Al, Sc, B) N 的结构构型，模拟阳离子的随机分布情况。
结构稳定性和相图：研究人员发现二元 III 族氮化物有五种可能的结构相，其中纤锌矿（WZ）是唯一的极性相且具有较大极化。对于 AlN，其 WZ 相极化切换的能量垒较高，通过掺杂 Sc 和 B 可降低该能量垒。通过改变 (Al, Sc, B) N 中三种阳离子的浓度，研究人员绘制出了相图。当 B 浓度为 22%，Sc 浓度在 38% - 63% 时，非极性的 HE′相可成为基态，在电场作用下能转变为极性的 WZ′相，这为实现高能量存储密度提供了可能。
P-E 响应和能量存储能力：对 HE′相在电场下的电极化和能量存储性能进行研究后发现，(Al
1-x-ySc
xB
y) N 的极化（P）随 Sc 含量增加和 B 含量减少而增大。其 P-E 曲线在高电场下才达到饱和，滞后现象小，能量损失低。不同 Sc 和 B 浓度下，能量密度在 160 - 310 J/cm
3 之间变化，部分超过 220 J/cm
3 ，(Al
0.28Sc
0.59B
0.13) N 的能量密度更是高达 308 J/cm
3 ，效率 98%。
在讨论部分，研究人员利用 Landau 型模型进一步解释了高能量存储性能的机制。通过模型拟合发现，PE-MPE 的相关系数 a 较大、b 较小且 c 为负，这些因素是 PE-MPE 相变呈现特殊非线性行为并获得巨大能量密度的关键。从 Landau 自由能曲线来看，PE-MPE 的曲线表明其在电场范围内基本无滞后现象。
综上所述，该研究通过第一性原理方法对 III 族氮化物化合物在电场下的结构稳定性和能量存储性能进行了广泛研究。发现特定浓度的 (Al, Sc, B) N 的非极性 HE′相可作为基态，在电场作用下转变为 MPE 相，产生具有大极化、高场饱和和小滞后的 P-E 曲线，从而获得超过 300 J/cm
3 的巨大能量密度，远超之前约 200 J/cm
3 的记录值。这一研究成果提出的设计策略和确定的特定材料，为制备具有巨大能量密度和超高效率的电介质电容器开辟了新的道路，在电子和电力设备领域具有广阔的应用前景，有望推动相关产业的技术革新和快速发展。
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