清华林元华团队Nat.Cmmun.：化学键合工程制备巨介电常数高熵钛酸钙陶瓷

介电陶瓷材料作为电子元器件的重要组成部分受到广泛关注。随着器件的小型化、集成化快速发展，研发具有更高介电常数、更低介电损耗以及良好温度稳定性的高性能介电陶瓷材料日益紧迫。在目前广泛报道的高介电常数材料中，钛酸铜钙基陶瓷常伴随较高损耗，难以得到有效抑制；二氧化钛基和钛酸锶基陶瓷介电性能依赖掺杂改性，若要兼顾损耗则难以进一步提高介电常数。

近日，清华大学材料学院林元华团队通过高熵设计与化学键工程的协同作用，首次在CaTiO₃基陶瓷中实现了巨介电常数、低损耗和优异温度稳定性的综合性能突破，在高熵钛酸钙陶瓷中同时实现了2.37×10^5的介电常数、0.005的低损耗以及-50至250°C范围内良好的温度稳定性（<± 15%），为高性能介电材料的开发提供了创新性解决方案。研究成果以Colossal permittivity in high-entropy CaTiO3 ceramics by chemical bonding engineering为题发表于Nature Communications。

主要创新点梳理：

1.高熵设计策略的创新应用

首次将高熵材料设计理念引入钙钛矿型CaTiO₃陶瓷中，通过A位多元素共掺杂（Na、Sm、Sr等）提高构型熵（最高达1.54 R），诱导晶格畸变和原子无序，显著促进氧空位（VO）和Ti³⁺缺陷的生成。

高熵设计通过降低缺陷形成能（ΔEdefect）和削弱化学键（A-O和B-O键强度），使材料在较低能量下稳定存在高浓度缺陷。

2.化学键工程调控缺陷与极化机制

通过DFT计算和实验验证，揭示了高熵体系中化学键强度与缺陷形成的关联：A-O和B-O键的弱化降低了氧原子逃逸势垒，促进氧空位生成。

缺陷偶极子（如VO-Ti³⁺）的协同作用增强偶极极化，同时高熵结构抑制载流子迁移，实现低介电损耗（tanδ=0.005）。

3.性能突破：巨介电常数与综合性能优化

在高熵陶瓷（NSCST）中实现介电常数2.37×10⁵，为同类材料中最高值之一，同时保持超低损耗（tanδ=0.005）和宽温稳定性（-50–250°C内ΔC/C<25°C<±15%）。

性能显著优于传统材料（如BaTiO₃、SrTiO₃、CaCu₃Ti₄O₁₂），解决了高介电常数与低损耗、温度稳定性之间的矛盾。

4.缺陷机制的新见解

结合TSDC、XPS、XANES等表征，明确氧空位和Ti³⁺缺陷的主导作用，提出“缺陷偶极子极化主导”的介电增强机制。

晶界激活能（Egb）的降低（1.671 eV）抑制了载流子长程迁移，减少损耗。

图1：相和结构作为构型函数的演化熵

图2：随位形熵变化而对电气响应和缺陷的影响

图3：随着熵增对局部结构和缺陷形成演化的模拟

图4：基于熵调制的CTO陶瓷的介电响应

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59226-y