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)域不可或缺的基礎材料。隨著電氣設備和電子器件功率持續(xù)增長，以及應用場景不斷拓展，介電高分子材料正面臨著更為嚴苛的高溫、高電場運行工況要求。盡管使用寬能帶隙、高耐熱介電高分子能夠提升溫度性能，但當溫度上升至200°C以上并同時施加強電場時，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機制主要為聲子輔助的鏈間電荷隧穿，并通過分子拓撲結(jié)構(gòu)設計開發(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行熒光發(fā)射光譜研究發(fā)現(xiàn)，當升溫至200°C以上溫度區(qū)間時，分子鏈內(nèi)電荷傳導變化不大，但分子鏈間電荷傳導顯著增加，并且電荷轉(zhuǎn)移機制是以隧穿為主導，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機制主要為聲子輔助的鏈間電荷隧穿。在無序、本征低電導體系中，聲子對載流子的作用不再是阻礙傳輸，而是增強電導（electron-phonon coupling），聲子輔助電荷轉(zhuǎn)移不受能帶隙寬度影響，并強烈依賴于溫度相關(guān)的分子鏈局部振動。這一物理機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)移機制以及化學拓撲結(jié)構(gòu)設計
圖2. 分子鏈振動的分子動力學計算以及熒光光譜測試
圖3. 電荷轉(zhuǎn)移行為和電荷傳導機制
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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