Colossal Permittivity Materials as Superior Dielectrics for Diverse Applications
10.1002/adfm.201808118
Crossref journal-article
Wiley
Advanced Functional Materials (311)
Abstract

AbstractEver since the beginning of this century, many kinds of materials have been reported to demonstrate colossal permittivity (CP) or a colossal dielectric constant exceeding 103. Accordingly, such CP materials and their further modification and improvement to achieve enhanced CP performance for promising applications in modern electronics, sensors, energy storage, and multifunctional devices have attracted extensive attention. In this Review, a general overview of the recent advances in CP materials is provided, ranging from their various categories, physical mechanisms, and modulation methods to promising applications. First, various classes of CP materials are categorized in terms of their structures and dielectric properties. Subsequently, this Review provides an insight into the CP mechanisms in views of barrier layer capacitance, defect‐dipole cluster, and polaronic effect. Moreover, the strategies and prototypical works are introduced in some aspects, including the manipulation of CP properties by doping, percolative capacitors, and the methods employed to enhance the dielectric behaviors in CP materials with different forms. The authors then discuss a wide range of applications based on CP materials, such as modern electronics and energy storage. Finally, the challenges and opportunities for further investigation of CP materials are highlighted in the summary and future perspectives.

Bibliography

Wang, Y., Jie, W., Yang, C., Wei, X., & Hao, J. (2019). Colossal Permittivity Materials as Superior Dielectrics for Diverse Applications. Advanced Functional Materials, 29(27). Portico.

Authors 5
  1. Yanbin Wang (first)
  2. Wenjing Jie (additional)
  3. Chao Yang (additional)
  4. Xianhua Wei (additional)
  5. Jianhua Hao (additional)
References 286 Referenced 174
  1. 10.1002/adma.200700245
  2. 10.1039/C4TA03434A
  3. 10.1039/C5TA00141B
  4. 10.1038/nmat3180
  5. 10.1126/science.1061655
  6. 10.1002/adma.200306634
  7. 10.1016/j.jeurceramsoc.2007.02.050
  8. 10.1063/1.2757098
  9. 10.1021/acsami.5b07467
  10. 10.1039/C6TA08337D
  11. 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.12.018
  12. 10.1002/adma.201704380
  13. 10.1103/PhysRevB.73.064114
  14. 10.1016/j.jeurceramsoc.2014.04.041
  15. 10.1103/PhysRevLett.94.107601
  16. 10.1006/jssc.2000.8703
  17. 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.11.018
  18. 10.1002/1521-4095(20020916)14:18<1321::AID-ADMA1321>3.0.CO;2-P
  19. 10.1063/1.1463211
  20. 10.1103/PhysRevB.70.172102
  21. 10.1103/PhysRevB.65.214112
  22. 10.1103/PhysRevB.73.094124
  23. 10.1002/adma.200803427
  24. 10.1063/1.3528161
  25. 10.1021/jp402320b
  26. 10.1063/1.3072356
  27. 10.1063/1.3120567
  28. 10.1038/nmat3691
  29. 10.1016/j.pcrysgrow.2014.04.001
  30. 10.1007/s40820-016-0089-1
  31. 10.1103/PhysRev.76.1221
  32. 10.1063/1.2336999
  33. 10.1126/science.1129564
  34. 10.1016/j.pmatsci.2014.10.002
  35. 10.1038/nmat4148
  36. 10.1103/PhysRevLett.89.127601
  37. 10.1063/1.4871378
  38. 10.1007/s10832-012-9742-3
  39. 10.1109/TMTT.2008.2006807
  40. 10.1063/1.365983
  41. 10.1021/acsami.6b00377
  42. 10.1063/1.4974735
  43. 10.1016/j.nanoen.2016.11.008
  44. 10.1063/1.4979833
  45. 10.1134/S1063783412050502
  46. 10.1016/j.surfrep.2016.01.001
  47. 10.1021/jp809130v
  48. 10.1063/1.2906371
  49. 10.3390/cryst4030351
  50. 10.1016/j.pmatsci.2018.06.002
  51. 10.1039/C4EE01759E
  52. 10.1039/C2TC00283C
  53. 10.1126/science.246.4936.1400
  54. 10.1016/j.pmatsci.2012.02.001
  55. 10.1109/TDEI.2015.7116344
  56. {'key': 'e_1_2_9_56_1', 'first-page': '4077', 'volume': '11', 'author': 'Deschanvres A.', 'year': '1967', 'journal-title': 'Bull. Chim. Soc. Fr.'} / Bull. Chim. Soc. Fr. by Deschanvres A. (1967)
  57. 10.1016/0022-4596(79)90235-4
  58. 10.1038/nmat1238
  59. 10.1016/j.snb.2010.03.063
  60. 10.1063/1.3086198
  61. 10.1063/1.2125117
  62. 10.1103/PhysRevB.70.172102
  63. 10.1038/385236a0
  64. 10.1063/1.3105993
  65. 10.1063/1.4781100
  66. 10.1016/S0304-8853(98)00324-2
  67. 10.1103/PhysRevB.44.5927
  68. 10.1016/j.cplett.2016.01.054
  69. 10.1103/PhysRevLett.89.217601
  70. 10.1021/cr00035a013
  71. 10.1111/j.1151-2916.2002.tb00084.x
  72. 10.1063/1.93134
  73. 10.1016/0167-577X(96)00023-7
  74. 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.05.023
  75. 10.1063/1.1852717
  76. 10.1063/1.2221528
  77. 10.1063/1.2766849
  78. 10.1103/PhysRevMaterials.1.032001
  79. 10.1126/science.1070481
  80. 10.1103/PhysRevLett.96.046402
  81. 10.1002/pssr.201600043
  82. 10.1039/C7RA00058H
  83. 10.1039/c0cc04890a
  84. 10.1021/jp3026978
  85. 10.1002/adma.201305293
  86. 10.1039/C4NR05264A
  87. 10.1038/35006023
  88. 10.1063/1.1367299
  89. 10.1063/1.126536
  90. 10.1016/j.ssc.2007.04.005
  91. 10.1063/1.344049
  92. 10.1038/srep08295
  93. 10.1016/j.jssc.2004.09.009
  94. 10.1063/1.4774099
  95. 10.1016/j.materresbull.2012.05.058
  96. 10.1016/j.ssc.2006.02.002
  97. 10.1016/j.physb.2007.12.004
  98. 10.1063/1.4811154
  99. 10.1103/PhysRevB.66.052105
  100. 10.1111/jace.14688
  101. 10.1063/1.4934505
  102. 10.1063/1.3006327
  103. 10.1109/TUFFC.2008.757
  104. 10.1103/PhysRevB.52.4191
  105. 10.1103/PhysRevB.70.174306
  106. 10.1063/1.4962219
  107. 10.1016/j.matlet.2012.08.079
  108. 10.1016/j.ssc.2010.10.034
  109. 10.1016/j.jnoncrysol.2010.07.049
  110. 10.1016/j.jssc.2008.10.037
  111. 10.1016/j.tsf.2009.01.100
  112. 10.1016/j.jallcom.2008.04.040
  113. 10.1016/j.matdes.2015.12.042
  114. 10.1016/j.ceramint.2007.10.007
  115. 10.1111/jace.14960
  116. 10.1016/j.matlet.2013.05.017
  117. 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.12.035
  118. 10.1038/s41598-017-08992-x
  119. 10.1007/s003390201303
  120. 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.04.040
  121. 10.1039/C6CP02236G
  122. 10.1063/1.4938124
  123. 10.1021/acsami.7b18356
  124. 10.1111/jace.15196
  125. 10.1039/C6RA07746C
  126. 10.1039/C5TC02578H
  127. 10.1039/C7TC01020F
  128. 10.1016/j.matchemphys.2009.01.004
  129. 10.1016/j.ceramint.2014.08.119
  130. 10.1016/j.matchemphys.2016.09.028
  131. 10.1016/j.mseb.2012.03.054
  132. 10.1016/j.jallcom.2009.08.155
  133. {'volume-title': 'Nanoelectronics Conference (INEC), 2010 3rd Int.', 'year': '2010', 'author': 'Thongbai P.', 'key': 'e_1_2_9_133_1'} / Nanoelectronics Conference (INEC), 2010 3rd Int. by Thongbai P. (2010)
  134. 10.1002/pssa.200622553
  135. 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.10.014
  136. 10.1016/j.matlet.2018.04.027
  137. 10.1016/j.ceramint.2018.01.181
  138. 10.1143/JJAP.49.081501
  139. 10.1016/j.ceramint.2015.03.303
  140. 10.1088/2053-1591/3/10/105035
  141. 10.1016/j.matlet.2018.03.015
  142. 10.1007/s10853-016-0019-0
  143. 10.1007/s00339-015-9172-6
  144. 10.1016/j.ceramint.2018.08.237
  145. 10.1007/s10854-018-8976-5
  146. 10.1007/s00339-017-0947-9
  147. 10.1039/C6RA27381E
  148. 10.1016/j.jallcom.2016.12.422
  149. 10.1007/s40195-016-0522-y
  150. 10.1007/s10854-015-2929-z
  151. 10.1063/1.4980804
  152. 10.1063/1.5032670
  153. 10.1007/s42452-018-0010-2
  154. 10.1007/s00339-018-1952-3
  155. 10.1080/00150193.2015.1061403
  156. 10.1007/s10854-018-9381-9
  157. 10.1016/j.jallcom.2015.12.143
  158. 10.7567/JJAP.54.06FJ06
  159. 10.1007/s10854-014-2437-6
  160. 10.1016/j.jallcom.2018.06.282
  161. 10.1016/j.ceramint.2016.11.089
  162. 10.1007/s00339-018-1862-4
  163. 10.1007/s10854-016-4505-6
  164. 10.1016/j.jallcom.2015.08.111
  165. 10.1063/1.2825472
  166. 10.1063/1.4916116
  167. 10.1016/j.matchemphys.2017.01.015
  168. 10.1088/1742-6596/901/1/012078
  169. 10.1016/j.jallcom.2015.11.142
  170. 10.1080/00150193.2015.1071161
  171. 10.1016/j.ceramint.2017.06.159
  172. 10.1016/j.ceramint.2016.02.067
  173. 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.06.008
  174. 10.1038/s41598-017-09141-0
  175. 10.1016/j.actamat.2015.09.046
  176. 10.1016/j.jallcom.2017.01.333
  177. 10.1039/C7TC05277D
  178. 10.1039/C5TC01659B
  179. 10.1016/j.ceramint.2017.07.034
  180. 10.1016/j.jallcom.2017.04.196
  181. 10.1111/jace.14861
  182. 10.1063/1.4959829
  183. 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.04.026
  184. 10.1021/acs.chemmater.5b01351
  185. 10.1016/j.mee.2015.02.052
  186. 10.1039/C6TC00742B
  187. 10.1016/j.ceramint.2017.05.255
  188. 10.1016/j.matdes.2017.03.037
  189. 10.1063/1.4893316
  190. 10.1039/C5CP02653A
  191. 10.1016/j.ceramint.2015.03.156
  192. 10.1039/C5CP02741A
  193. 10.1016/j.jeurceramsoc.2016.09.006
  194. 10.1016/j.ceramint.2018.03.255
  195. 10.1111/jace.16169
  196. 10.1016/S0921-5107(02)00473-7
  197. 10.1016/j.jallcom.2018.01.052
  198. 10.1016/j.ceramint.2018.04.028
  199. 10.1016/j.jallcom.2017.11.114
  200. 10.1016/j.jallcom.2013.10.200
  201. 10.1016/j.matlet.2016.03.110
  202. 10.1002/1521-4095(200110)13:20<1541::AID-ADMA1541>3.0.CO;2-X
  203. {'key': 'e_1_2_9_203_1', 'first-page': '3909', 'volume': '19', 'author': 'Huang J.', 'year': '2009', 'journal-title': 'J. Mater. Chem.'} / J. Mater. Chem. by Huang J. (2009)
  204. 10.1016/j.jallcom.2015.12.171
  205. 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.05.004
  206. 10.1021/acsnano.7b08895
  207. 10.1016/j.materresbull.2017.11.024
  208. 10.1002/smll.201503193
  209. 10.1002/adma.200600703
  210. 10.1039/C4TC02183E
  211. 10.1016/j.compscitech.2017.03.015
  212. {'key': 'e_1_2_9_212_1', 'first-page': '6', 'volume': '85', 'author': 'Kim C. H.', 'year': '2012', 'journal-title': 'Phys. Rev. B'} / Phys. Rev. B by Kim C. H. (2012)
  213. 10.1063/1.4807741
  214. 10.1143/JJAP.47.7753
  215. 10.1016/j.matlet.2006.07.192
  216. 10.1016/j.ceramint.2005.07.019
  217. 10.1016/j.ceramint.2015.07.133
  218. 10.1016/j.jallcom.2013.01.090
  219. 10.1016/j.ceramint.2013.03.049
  220. 10.1111/j.1551-2916.2012.05147.x
  221. 10.1016/j.ceramint.2011.08.052
  222. 10.1007/s10854-010-0179-7
  223. 10.1016/j.jallcom.2016.05.002
  224. 10.1007/s10854-017-6783-z
  225. 10.1039/C6RA14741K
  226. 10.1111/jace.12051
  227. 10.1111/j.1151-2916.2004.tb06362.x
  228. 10.1016/j.jeurceramsoc.2011.11.039
  229. 10.1016/j.actamat.2018.03.016
  230. 10.1007/s10854-015-3275-x
  231. 10.1007/s10832-018-0145-y
  232. 10.1039/C7CP00042A
  233. 10.1111/j.1551-2916.2009.03100.x
  234. 10.1016/j.jmatprotec.2007.12.104
  235. 10.1016/j.jcrysgro.2014.09.013
  236. 10.1039/b910871h
  237. 10.1038/srep21478
  238. 10.7567/JJAP.56.10PC02
  239. 10.1038/s41598-017-05651-z
  240. 10.1063/1.1490624
  241. 10.1063/1.1506951
  242. 10.1063/1.1728308
  243. 10.1088/0022-3727/45/30/305302
  244. 10.1039/C4TC00500G
  245. 10.1111/j.1151-2916.1999.tb01793.x
  246. 10.1016/j.jallcom.2016.12.113
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Dates
Type When
Created 6 years, 4 months ago (April 12, 2019, 8:14 a.m.)
Deposited 1 year, 11 months ago (Sept. 9, 2023, 7:25 p.m.)
Indexed 2 weeks ago (Aug. 12, 2025, 5:27 p.m.)
Issued 6 years, 4 months ago (April 12, 2019)
Published 6 years, 4 months ago (April 12, 2019)
Published Online 6 years, 4 months ago (April 12, 2019)
Published Print 6 years, 1 month ago (July 1, 2019)
Funders 2
  1. Research Grants Council, University Grants Committee 10.13039/501100002920

    Region: Asia

    pri (Universities (academic only))

    Labels5
    1. 研究資助局
    2. 研究資助局
    3. 研究資助局
    4. 研究資助局
    5. 研究資助局
    Awards2
    1. C7036‐17W
    2. PolyU 153004/14P
  2. Sichuan Youth Science and Technology Foundation 10.13039/100012556 Sichuan Provincial Youth Science and Technology Foundation

    Region: Asia

    gov (Local government)

    Labels1
    1. Sichuan Youth Science and Technology Foundation
    Awards1
    1. 19JCQN0106

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