光州科学技术院-加州理工研究团队
可用于下一代半导体和宽带天线等
有望应用于高电压与柔性器件
超低介电电容器及其机械应力-应变关系与在压缩变形下自我恢复的介电击穿强度结果
(a,b) 具有双峰密度分布的超低介电电容器图像及其应力-应变关系
(c,d) 具有周期性密度分布的超低介电电容器图像及其应力-应变关系
(e) 测量压缩变形下电学和绝缘特性的示意图
(f) 压缩变形时，随压缩程度和应力循环次数变化的漏电流密度
(g) 去除压缩变形后，随压缩程度和应力循环次数变化的漏电流密度 图=光州科学技术院提供
[亚洲经济 金奉洙 记者] 韩国本土研究团队开发出一种可在超级计算机、宽带无线通信、高电压装置中稳定应用的超结构电容器。电容器是一种能够在导体上暂时储存大量电荷的电子元件，也称为蓄电器。
韩国研究财团（NRF）8日表示，光州科学技术院（GIST）Kim Bongjung 教授研究团队与加州理工学院 Julia Greer 教授研究团队合作，利用三维纳米晶格结构，开发出一种即使在反复压缩形变下也能保持超低介电常数，且介电击穿强度能够持续恢复的电容器。
三维纳米晶格（3D-nanolattice）是一种超材料，利用三维激光刻蚀和原子层沉积技术制成的陶瓷纳米管按晶胞形式规则排列而成。超低介电材料（Ultra low-k dielectric）是指介电常数（dielectric constant）不高于1.5的低介电常数材料；介电击穿强度（Dielectric breakdown strength）是指电绝缘材料之间电阻减小到可通过类似金属那样大电流瞬间时对应的电压。
随着众多下一代电子设备采用高电压布线，并向在机械形变下仍能保持可靠性的柔性形态演进，业界亟需开发利用电学和介电稳定性更高的低介电材料制成的电容器。以往为了降低电容器的介电常数，人们一直通过提高孔隙率（porosity，即多孔材料中孔隙体积占总体积的比例）来实现。但高孔隙率材料在机械强度和介电击穿强度方面较弱，热稳定性也较差，存在局限。
研究团队此前已通过前期研究开发出孔隙率达99%、即使在机械压缩下也能恢复介电击穿和超低介电特性的纳米晶格电容器。但该装置只能在5个压缩循环、25%这一较小形变量条件下恢复性能，商业化存在困难。为此，研究团队将原本由单一密度、单一单元层构成的纳米晶格，改进为由低密度层和高密度层混合组成的非均质结构，从而解决了这一问题。测试结果显示，当对纳米晶格施加应力时，低密度层首先开始形变，在整体晶格有50%发生形变之前，高密度层始终完全受到应力保护。此外，在62.5%形变量和100次压缩循环期间，其介电击穿和超低介电特性均能稳定恢复，介电击穿强度最高达到单一密度纳米晶格的3.3倍。
Kim 教授表示：“本次研究的意义在于开发出兼具机械回复力以及热和电学稳定性的超低介电材料。预计今后可应用于柔性电子系统、电动汽车以及航天、航空领域的高电压系统。”
本项研究成果已于2025年11月15日发表在材料领域国际学术期刊《Advanced Materials》在线版。
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