介電高分子是電絕緣、功率型電能存儲等關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的基礎(chǔ)材料。隨著電氣設(shè)備和電子器件功率持續(xù)增長，以及應(yīng)用場景不斷拓展，介電高分子材料正面臨著更為嚴(yán)苛的高溫、高電場運(yùn)行工況要求。盡管使用寬能帶隙、高耐熱介電高分子能夠提升溫度性能，但當(dāng)溫度上升至200°C以上并同時施加強(qiáng)電場時，這類材料的電阻率和介電儲能性能均大幅下降。基于現(xiàn)有介電高分子中電荷傳導(dǎo)理論和抑制方法無法突破材料耐溫性與絕緣性能之間的矛盾。
近日，清華大學(xué)李琦課題組揭示了在極端高溫、高電場下介電高分子中的電荷傳導(dǎo)機(jī)制主要為聲子輔助的鏈間電荷隧穿，并通過分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)了一系列在250°C下具有優(yōu)異介電絕緣特性的介電高分子材料。相關(guān)工作以“Dielectric polymers with mechanical bonds for high-temperature capacitive energy storage”為題發(fā)表于《自然·材料》（Nature Materials）。清華大學(xué)博士后王瑞為論文第一作者，博士生朱雨杰為該論文的共同第一作者，李琦副教授為論文通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目的資助。
課題組通過對多種耐熱介電高分子材料進(jìn)行熒光發(fā)射光譜研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)升溫至200°C以上溫度區(qū)間時，分子鏈內(nèi)電荷傳導(dǎo)變化不大，但分子鏈間電荷傳導(dǎo)顯著增加，并且電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制是以隧穿為主導(dǎo)，而不是典型的能帶傳輸。由此，課題組提出在此條件下介電高分子中的電荷傳導(dǎo)機(jī)制主要為聲子輔助的鏈間電荷隧穿。在無序、本征低電導(dǎo)體系中，聲子對載流子的作用不再是阻礙傳輸，而是增強(qiáng)電導(dǎo)（electron-phonon coupling），聲子輔助電荷轉(zhuǎn)移不受能帶隙寬度影響，并強(qiáng)烈依賴于溫度相關(guān)的分子鏈局部振動。這一物理機(jī)制在此前的耐高溫介電高分子研究中被忽略，這也解釋了此前開發(fā)的高耐熱、寬能帶隙介電高分子在極端工況下不具有高絕緣性的根本原因。
圖1. 電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制以及化學(xué)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計
圖2. 分子鏈振動的分子動力學(xué)計算以及熒光光譜測試
圖3. 電荷轉(zhuǎn)移行為和電荷傳導(dǎo)機(jī)制
圖4. 冠醚分子結(jié)構(gòu)的篩選以及高溫電容性能
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02130-z
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