在面向生成式AI的硬件中，需要通過電源線輸送足夠的電流到處理器，才能保障章程執(zhí)行計(jì)算處理，但在實(shí)際工作中，電源供給速度通常難以跟上處理器需要的大電流，這給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能帶來(lái)了挑戰(zhàn)。因此，在處理器的電源線上使用的電容器發(fā)揮了尤為重要的作用。其中多層陶瓷電容器（MLCC）憑借優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、較小的體積等，近年來(lái)受AI驅(qū)動(dòng)出貨量攀升。而隨著AI算力不斷提升，電子設(shè)備小型化、輕量化以及集成化的發(fā)展，繼續(xù)提升電容器能量密度的需求也在不斷高漲，同時(shí)出于對(duì)環(huán)保因素的考慮，具有較高介電常數(shù)、環(huán)境友好型和可持續(xù)發(fā)展型的無(wú)鉛陶瓷電介質(zhì)有望爆發(fā)需求！

介電層是電容器存儲(chǔ)和釋放電能的主要場(chǎng)所，介電層所選用的材料決定電容器能量密度的上限，目前高介電常數(shù)的無(wú)鉛陶瓷材料有鐵電體、弛豫鐵電體、反鐵電體及弛豫反鐵電體等。

MLCC結(jié)構(gòu)

一、無(wú)鉛鐵電材料

BaTiO₃(BT)是一種典型的鈣鈦礦型無(wú)鉛鐵電材料，具有四方相、立方相、斜方相和六方相等晶型。當(dāng)溫度位于其居里溫度（Tc=120℃）以下時(shí)，鈦酸鋇呈現(xiàn)四方相，由于Ti⁴⁺較低的平均熱振動(dòng)能，導(dǎo)致部分Ti⁴⁺難以克服Ti和O離子之間的作用力，而偏移到某個(gè)O離子上，在晶胞中產(chǎn)生電偶極矩，當(dāng)外加電場(chǎng)作用于材料上時(shí)，這些偶極子會(huì)沿電場(chǎng)方向重新排列，從而產(chǎn)生較大的極化效應(yīng)，而這種強(qiáng)烈的極化響應(yīng)導(dǎo)致了鈦酸鋇表現(xiàn)出高的介電常數(shù)，因此往往具有高能量密度。

鈦酸鋇晶體結(jié)構(gòu)及介電常數(shù)隨溫度變化

不過，鈦酸鋇的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生明顯的改變，比如當(dāng)溫度大于其居里溫度（Tc=120℃）時(shí)，鈦酸鋇呈立方相，不會(huì)表現(xiàn)出鐵電性，其介電常數(shù)也會(huì)急劇降低。因此往往需要通過摻雜、工藝優(yōu)化、微觀結(jié)構(gòu)控制，來(lái)改善BaTiO₃的介溫特性，獲得理想的電容溫度穩(wěn)定性。除此之外，BT材料還具有較大的疇結(jié)構(gòu)，會(huì)表現(xiàn)出較大的剩余極化，產(chǎn)生較大的能量損耗，作為電介質(zhì)的應(yīng)用效果不佳。

二、無(wú)鉛弛豫鐵電材料

為了改善鐵電材料的應(yīng)用效果，可將異價(jià)或大小相差較大的離子摻入晶格，使晶格發(fā)生畸變導(dǎo)致晶格活化并在內(nèi)部產(chǎn)生少量的電荷，從而產(chǎn)生一定的電場(chǎng)來(lái)破壞鐵電體內(nèi)較大的電疇結(jié)構(gòu)，形成極性納米微區(qū)，成為弛豫鐵電體。由于弛豫鐵電體的不同離子在晶體學(xué)等價(jià)位點(diǎn)上排列的無(wú)序性，其具有彌散相變的獨(dú)特行為，即其由順電相向鐵電相的相變是在寬的溫度范圍內(nèi)持續(xù)進(jìn)行的，不會(huì)在某溫度下發(fā)生太過劇烈的變化，在儲(chǔ)能過程中能夠保持結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。

1、BaTiO₃基弛豫鐵電材料

當(dāng)前，BaTiO-BiMeO₃材料(Me為三價(jià)陽(yáng)離子或者平均三價(jià)的金屬陽(yáng)離子)作為BT基弛豫固溶物被廣泛研究。在BT中引入BiMeO₃不僅降低了剩余極化并且有助于提高擊穿強(qiáng)度。此外，鉍的6p軌道與氧的2p軌道雜化可以提高BT基弛豫材料的最大極化。通過這種方式，BaTiO₃基弛豫鐵電體可以獲得更高的可恢復(fù)能量密度和能量效率。

2、Bi_0.5Na_0.5TiO₃（BNT，鈦酸鉍鈉）

BNT也是一種典型的鈣鈦礦型陶瓷材料，具有良好的鐵電性，但剩余極化較高，且難以燒結(jié)成致密的樣品，產(chǎn)生的缺陷較多，導(dǎo)致?lián)舸?qiáng)度較小，因此需要摻雜其他元素的陽(yáng)離子或者形成固溶物來(lái)提高其性能。

3、BiFeO₃(BF)基陶瓷

BiFeO₃(BF)基陶瓷是一種在室溫下同時(shí)具有鐵電性和鐵磁性的多鐵性材料，有高自發(fā)極化和高居里溫度，但純的BF陶瓷也存在高剩余極化的缺點(diǎn)，同時(shí)在低電場(chǎng)下還會(huì)表現(xiàn)出大的漏電流，可通過摻雜Sm³⁺、Nd³⁺、La³⁺,或與BaTiO₃、SrTiO₃(ST)及Bi_0.5K_0.5TiO₃(BKT)等稀土元素離子形成固溶物來(lái)形成弛豫鐵電體。

三、無(wú)鉛反鐵電材料

反鐵電材料儲(chǔ)能是基于電場(chǎng)作用下的能量轉(zhuǎn)換，其物理本質(zhì)是雙電滯回線。即在一定溫度范圍內(nèi)相鄰晶格的偶極子呈反平行排列，宏觀上自發(fā)極化強(qiáng)度為零，但在電場(chǎng)作用下相鄰晶格的偶極子可以誘導(dǎo)為平行排列，由反鐵電體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F電體，呈現(xiàn)出場(chǎng)誘相變的特點(diǎn)和大的極化強(qiáng)度；當(dāng)電場(chǎng)撤出后，偶極子可逆回復(fù)反平行排列，剩余極化強(qiáng)度又迅速回到零，內(nèi)部能量瞬時(shí)釋放。正是由于這種特殊的雙電滯回線，反鐵電材料在高能量密度電容器中顯示出巨大的前景。

鐵電相與反鐵電相自發(fā)極化對(duì)比（來(lái)源：張小政）

目前，無(wú)鉛反鐵電材料體系大多集中在鈮酸銀(AgNbO₃)和鈮酸鈉(NaNbO₃)中：

1、鈮酸銀(AgNbO₃)

鈮酸銀(AgNbO₃)基材料作為一種典型的無(wú)鉛反鐵電材料，擁有雙電滯回線以及較高的最大極化，導(dǎo)致能量密度較高。然而，由于純鈮酸銀反鐵電相穩(wěn)定性較差，不能表現(xiàn)出理想的雙電滯回線，導(dǎo)致能量效率偏低，因此也需要通過摻雜特定陽(yáng)離子來(lái)增強(qiáng)器反鐵電穩(wěn)定性，如在其A位摻雜Bi³⁺、Sr²⁺、Ca²⁺比Ag⁺半徑小的陽(yáng)離子，在B位摻雜Ta⁵⁺等極化率較低的陽(yáng)離子。

2、鈮酸鈉(NaNbO₃)

鈮酸鈉(NaNbO₃)具有較低的成本，但其存在的較大剩余極化和明顯的滯后，另外其擊穿強(qiáng)度也不夠高，盡管可以通過摻雜穩(wěn)定鈮酸鈉反鐵電相提高其儲(chǔ)能性能，但由于其在高電場(chǎng)下總是表現(xiàn)出不可逆的AFE-FE相變，仍舊限制了儲(chǔ)能效率的提升，因此對(duì)于NaNbO₃基陶瓷儲(chǔ)能性能的研究仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。

四、無(wú)鉛弛豫反鐵電體

由于上述反鐵電材料場(chǎng)致相變的大滯后性，以及大多部分的能量會(huì)在反鐵電-鐵電(AFE-FE)相變之間以熱量形式耗散，使得反鐵電材料的儲(chǔ)能效率通常較低，因此近年來(lái)研究人員將電疇尺寸調(diào)控至納米尺度，引入弛豫行為，構(gòu)建了具有低能量損耗和纖細(xì)的雙電滯回線的弛豫型反鐵電體。目前BNT基弛豫反鐵電體和NN(NaNbO₃)基弛豫反鐵電體是研究較為廣泛的無(wú)鉛弛豫反鐵電體系。

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