[發明專利]一種調控鐵電薄膜電容器能量密度與充放電效率的方法

在審

• 申請號: 202110032307.X
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112864320A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 蘇元捷;李丹;李惟雄;謝光忠;黎威志;龔琪琛;張宇麟;陳彥夢;杜曉松;蔣亞東
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L49/02
• 分類號: H01L49/02;H01G4/33
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 霍淑利

本發明涉及一種調控鐵電薄膜電容器能量密度與充放電效率的方法，當所述鐵電薄膜電容器充電時，將所述鐵電薄膜電容器向下彎曲對所述鐵電薄膜施加壓應力，以提升飽和極化強度以及儲能密度，從而增加了飽和極化強度，使得電容器兩端的電荷密度增加，進而提升所述鐵電薄膜電容器的充電效率；當所述鐵電薄膜電容器放電時，將所述鐵電薄膜電容器向上彎曲對所述鐵電薄膜施加張應力，在不減小面內飽和極化的前提下，降低剩余極化強度并讓P?E電滯回線變窄，從而提升所述鐵電薄膜電容器的放電效率。這樣在充放電的過程中依次施加壓應力和張應力可以有效地提升器件儲能密度與充放電效率。本發明的方法簡單、易行且普適廉價。

技術領域

本發明屬于材料力學、半導體器件和能量儲存技術領域，具體涉及一種調控鐵電薄膜電容器能量密度與充放電效率的方法。

背景技術

由鐵電材料和金屬電極制成的鐵電薄膜電容器是現代電子器件的關鍵元件。其充放電速度快、功率密度大，在大功率加速器、地下油氣勘探、風力發電機、混合動力汽車、大功率微波器件等脈沖放電和功率調節電子應用領域具有廣闊的應用前景。鐵電電容器的可放電能量密度由介電常數、擊穿強度和鐵電材料的滯后特性決定。利用高能量密度電容器的優點，各種鐵電材料被嘗試制成高能量密度電容器。例如，聚合物基介質因其生產成本低、擊穿強度高、易于制造、具有獨特的自愈性等優點，已被許多研究人員用來實現高能量密度存儲。然而，聚合物的熱穩定性很差，通常只能在100℃以下運行，因此限制了聚合物基鐵電電容器的高溫應用。

相反，電介質氧化物具有比聚合物更好的熱穩定性和更高的最高工作溫度(高達250℃)，盡管它們可能由于存在大量的電荷缺陷產生的高導電性而具有更大的損耗。此外，電介質氧化物，特別是鐵電氧化物，通常比聚合物具有更高的介電常數，因此，它們的陶瓷對應物已廣泛用于商業電容器。近年來人們對氧基電容器的興趣主要集中在高擊穿強度、高能量密度和超高放電效率的陶瓷薄膜電容器的開發上。

制約陶瓷薄膜儲能性能的關鍵因素是介電損耗大、充放電效率低。特別是在鐵電薄膜中，電滯回線，介電損耗會非常大。盡管在高電場下對鐵電薄膜電容器充電可以獲得較高的能量密度，但介電損耗，可放電的能量密度很小。此外，介電損耗會導致電容器發熱、升溫，不利于電容器的熱穩定性和壽命。介電損耗和充放電效率通常由極化-電場(P-E)電滯回線來評估。P-E電滯回線越寬，介電損耗越大，充放電效率越低。在現有的工作中廣泛使用化學修飾來縮小鐵電薄膜P-E電滯回線，可以通過在鐵電體中摻雜特定元素或將鐵電體與其他材料合成來實現。這種方法已經取得了許多成功，但它主要依賴于基于本征的反復試驗，因此通常是低效和昂貴的。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術存在的問題，提供一種調控鐵電薄膜電容器能量密度與充放電效率的方法。

為解決上述技術問題，本發明實施例提供一種調控鐵電薄膜電容器能量密度與充放電效率的方法，其中，所述鐵電薄膜電容器包括由下至上依次層疊設置的柔性襯底4、底電極3、鐵電薄膜2和頂電極1；

當所述鐵電薄膜電容器充電時，將所述鐵電薄膜電容器向下彎曲對所述鐵電薄膜2施加壓應力，以提升飽和極化強度以及儲能密度，從而增加了飽和極化強度，使得電容器兩端的電荷密度增加，進而提升所述鐵電薄膜電容器的充電效率；

當所述鐵電薄膜電容器放電時，將所述鐵電薄膜電容器向上彎曲對所述鐵電薄膜2施加張應力，在不減小面內飽和極化的前提下，降低剩余極化強度并讓P-E電滯回線變窄，從而提升所述鐵電薄膜電容器的放電效率。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。

進一步的，所述柔性襯底4為聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚氟乙烯、GdScO₃、DyScO₃或云母。