名大、ナノシートによる世界最高のエネルギー密度の誘電体キャパシタを開発

まず、開発されたキャパシタの分極特性評価が行われた。すると、Ca₂Nb₃O₁₀、Ca₂NaNb₄O₁₃、Ca₂Na₃Nb₆O₁₉のナノシートは、分極特性が線形の応答を示し、理想的な常誘電体の挙動が示されたとする。また、どのナノシートも、従来の誘電体・強誘電体薄膜に対して2倍程度の高耐電圧化が獲得されており、400MV/m程度の高電界印加が可能とした。一方で、Ca₂Na₂Nb₅O₁₆ナノシートは、強誘電体特有のヒステリシス特性が示されたという。

(上)LB法で作製されたペロブスカイトナノシート積層膜の断面透過型電子顕微鏡像。基板上にナノシートが原子レベルで平行に累積した積層構造が確認された。ナノシートの緻密性、平滑性を維持してレイヤーバイレイヤーで積層された高品位多層膜が実現されている。(下)Ca₂Na_m-3Nb_mO_3m+1ナノシートの分極特性(a)とエネルギー密度(b)。Ca2Nb3O10(m=3)、Ca2NaNb4O13(m=4)、Ca2Na3Nb6O19(m=6)のナノシートは分極特性が線形応答を示し、常誘電体の挙動を示した。Ca2Na3Nb5O16(m=5)ナノシートの分極特性は、強誘電体特有の分極ヒステリシス特性を示した。(出所:名大プレスリリースPDF)

続いて、エネルギー密度の評価が行われた。すると、m数(3～6)による分極増加が反映され、4種類で174、200、215、274とエネルギー密度の増大が確認された。ナノシートで確認されたエネルギー密度(174J/cm³～272J/cm³)は、従来の高誘電体、強誘電体薄膜のエネルギー密度に対して2倍～10倍であり、誘電体キャパシタとしては世界最高性能とした。

さらに今回の誘電体キャパシタと、積層セラミックスコンデンサなどの現行の各種蓄電デバイスのエネルギー密度および出力密度の比較が行われた。今回の誘電体キャパシタは同等の高出力密度を保持しつつ、1桁～2桁高いエネルギー密度を実現できることが確認されたという。なお今回の誘電体キャパシタでは、サイクル安定性や300℃までの高温での安定性も確認された。