研究人员展示了一项新技术，通过控制薄膜厚度精确调控薄膜材料中的相边界，进而设计出不依赖有毒元素的储能材料。概念验证测试显示，无毒薄膜具备极佳介电性能，提升了开发新型无毒电容器技术的可能性。

相边界指材料从一种主导晶体结构转变为另一种时，两种晶体结构基本共存的区域，对增强材料特定特性至关重要。北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授徐瑞娟称，工程师常用化学技术控制某些材料中相边界分布以更好存储电荷，但许多此类材料含铅等有毒元素，而无毒薄膜因含钠等挥发性元素，用传统化学技术难以控制其相边界。

徐教授团队开发出无需化学技术的新方法，通过控制材料物理应变来影响无毒薄膜中相边界分布，而应变量可通过改变薄膜厚度控制，薄膜越薄，材料承受应变越大。

研究人员以铌酸钠(NaNbO₃)演示该技术。NaNbO₃是铌酸钾钠(KNN)家族中化学性质简单的端基成员，KNN家族是有望用于铁电应用的无铅材料，但因钠挥发性高，传统化学技术难以控制其相边界，相关研究受限。

在概念验证测试中，研究人员用脉冲激光沉积法合成外延晶体NaNbO₃薄膜并精确控制厚度，发现薄膜厚度与NaNbO₃薄膜中两相(MB和MC)分布呈线性关系，薄膜越薄，MC主导程度越大。徐教授表示，可借此控制材料中MB和MC含量，二者相对含量相互作用影响相边界。

测试中，研究人员还发现NaNbO₃薄膜有诱人介电性能。徐教授称，改造后的NaNbO₃薄膜介电常数可与甚至优于最好的铅基薄膜，对设计新型电容器技术极具前景。此外，还能控制材料介电性能可调范围，该特性对通信技术等应用至关重要。

研究人员指出，此新技术虽用NaNbO₃演示，但也可用于其他薄膜。徐教授表示，团队对研究各种无铅系统(如KNN系列)在下一代无铅电介质和铁电应用方面的潜力很感兴趣。

这篇题为《应变诱导的无铅准同型相界》的论文发表在《自然通讯》杂志上，第一作者是北卡罗来纳州立大学博士生Reza Ghanbari，其他合著者来自北卡罗来纳州立大学、阿肯色大学、康奈尔大学等多所高校及研究机构。该材料的物理、化学和电学特性采用多种技术组合测定，计算机模拟、电子叠层扫描、同步加速器X射线衍射等工作由不同团队共同完成，不同高校共同作者还分别支持了NaNbO₃可调性评估、实验室源X射线衍射和X射线光电子能谱分析、二次谐波偏振测量等工作。

更多信息：Reza Ghanbari 等人，应变诱导的无铅准同型相界，《自然通讯》 (2025)