[發明專利]用于高密度儲能的鐵酸鉍基電介質薄膜及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201710193321.1
• 申請日: 2017-03-28
• 公開（公告）號: CN107056276A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: 林元華;潘豪;南策文;沈洋
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C04B35/453
• 分類號: C04B35/453;C04B35/47;C04B35/622;C04B35/634;C04B35/638;C04B41/00;C04B41/45;H01G4/12
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙)11201
• 代理人: 趙天月

技術領域

本發明屬于電介質材料領域，具體而言，本發明涉及用于高密度儲能的鐵酸鉍基電介質薄膜及其制備方法和應用。

背景技術

電介質電容器作為主要的無源儲能器件，以其快速的充放電速度和超高的功率密度，廣泛應用于電子電路中，可以實現隔直通交、耦合、旁路、濾波、調諧回路、能量轉換等功能。然而其較低的儲能密度成為其進一步發展和應用的瓶頸。目前商業化的電介質材料儲能密度僅約2J/cm³，與電化學電容器或電池相比低了一至兩個數量級。因此，探索具有高儲能密度的電介質材料一直是該領域研究熱點。

陶瓷薄膜電介質具有大的介電常數和高的擊穿場強，成為最有希望獲得高儲能密度的電介質材料體系，同時由于其體積小、機械性能好、耐高溫性能優異，有望在器件小型化、集成化和極端條件下獲得應用。目前在一大類鋯鈦酸鉛(PZT)基薄膜電介質中已經實現了30～60J/cm³的高儲能密度。其中具有代表性的如：Zhongqiang Hu等利用化學沉積法制備的Pb_0.96La_0.04Zr_0.98Ti_0.02O₃反鐵電薄膜具有61J/cm³的儲能密度，并在室溫到225攝氏度范圍內保持性能穩定；Guangliang Hu等利用脈沖激光沉積方法制備的Pb_0.92La_0.08Zr_0.52Ti_0.48O₃弛豫鐵電薄膜則可以實現31J/cm³的儲能密度，并在室溫到180攝氏度范圍內保持性能穩定。但是這些材料中含有的鉛對人體健康和環境有較大危害，廢棄后不易處理。因此，開發具有大介電常數、高擊穿場強、高儲能密度和良好溫度穩定性的無鉛薄膜電介質材料成為該領域當前的急迫任務。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種用于高密度儲能的鐵酸鉍基電介質薄膜及其制備方法和應用。該電介質薄膜具有優異的儲能性能，儲能密度可達70.3J/cm³，并具有70％的高儲能效率。

在本發明的一個方面，本發明提出了一種用于高密度儲能的鐵酸鉍基電介質薄膜，根據本發明的實施例，所述電介質薄膜化學成分通式為(1-x)BiFeO₃-xSrTiO₃，其中，x為摩爾分數，且0<x<1。

發明人發現，鐵酸鉍(BiFeO₃)屬于多鐵材料的一種，具有鐵電性和反鐵磁性，并伴隨弱的鐵磁性，其鐵電性是由于Bi離子具有孤對電子引起的，理論上其鐵電極化高于100uC/cm²，但是由于很難制備出純的鐵酸鉍，其中存在二次相和各種缺陷，導致很難測出其真實的鐵電極化，通常在鐵酸鉍陶瓷中測得的鐵電極化只有幾個uC/cm²；鈦酸鍶(SrTiO₃)具有典型的鈣鈦礦型結構，是一種用途廣泛的電子功能陶瓷材料，具有介電常數高、介電損耗低、熱穩定性好等優點，廣泛應用于電子、機械和陶瓷工業。由此，將兩者形成固溶體(1-x)BiFeO₃-xSrTiO₃(x為摩爾分數，0<x<1)，通過調控x的值，所得到的電介質薄膜具有優異的鐵電性能和絕緣性質，其擊穿場強可達3～4MV/cm，儲能密度可達70.3J/cm³，并具有70％的高儲能效率。實驗證明這種鐵酸鉍基電介質薄膜同時兼具較大的介電常數、較小的介電損耗、較高的擊穿場強和優異的儲能性能，是一種有希望應用于嵌入式電容器、靜電儲能元器件、脈沖功率技術等領域的材料。

另外，根據本發明上述實施例的用于高密度儲能的鐵酸鉍基電介質薄膜還可以具有如下附加特征：

在本發明的一些實施例中，所述用于高密度儲能的鐵酸鉍基電介質薄膜的厚度為150nm-2μm。由此，有利于改善電介質薄膜的生長質量、提高電介質薄膜的儲能性能。

在本發明的一些實施例中，所述用于高密度儲能的鐵酸鉍基電介質薄膜在Fe位進行過渡元素摻雜。由此，可改善薄膜的絕緣性質，進一步提高電介質薄膜的儲能性能。

在本發明的一些實施例中，所述過渡元素的摻雜量為0.1wt％-2.0wt％。由此，可進一步提高電介質薄膜的擊穿性質和儲能性能。