[發明專利]提高介電薄膜電容器儲能密度的方法和介電薄膜電容器

有效

• 申請號: 202110405278.7
• 申請日: 2021-04-15
• 公開（公告）號: CN113314342B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 陳德楊;羅永健;王長安;周生強
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H01G4/33
• 分類號: H01G4/33;H01G4/10
• 代理公司: 廣州駿思知識產權代理有限公司 44425
• 代理人: 吳靜芝

本發明提供一種提高介電薄膜電容器儲能密度的方法，包括以下步驟：S1：制備底電極；S2：在底電極上沉積PbZrO₃薄膜；S3：向PbZrO₃注入氦離子；S4：制備頂電極。本發明的提高介電薄膜電容器儲能密度的方法，提高了反鐵電材料PbZrO₃本身的飽和極化值和擊穿電場，獲得了高儲能密度的介電薄膜電容器。

技術領域

本發明屬于薄膜材料技術領域，具體涉及提高介電薄膜電容器儲能密度的方法和介電薄膜電容器。

背景技術

電容器是一種基礎的儲能器件，電子工業產品小型化、集成化、便攜化的發展趨勢，對電容器的性能提出更高要求。由于反鐵電材料鋯酸鉛PbZrO₃(簡稱為PZO)在電場下可以產生可逆的反鐵電-鐵電相變，鋯酸鉛可以制成具有高功率密度、超快充放電速率的電介質容器。目前對鋯酸鉛作電介質容器的研究主要集中在成分的摻雜和納米結構的設計上。成分的摻雜主要為往PbZrO₃中加入鑭(La)、鈦(Ti)、錫(Sn)等元素，可以降低相變過程中的能量損耗，提高飽和極化強度，從而提高儲能密度和效率。納米結構的設計則比較多樣，多層結構、核殼結構、自組裝納米柱、摻雜納米顆粒等都提高了PZO的擊穿電場并減少泄露電流，增強了儲能性能。

目前作為電介質容器的PZO基材料主要有陶瓷和薄膜兩大類。陶瓷密度大、柔性差、燒結溫度高，這使其在集成電路中的應用受到限制；此外，燒結過程中陶瓷易產生各種缺陷例如孔隙等，會降低其機械性能，且容易被擊穿。薄膜的體積小，耐壓能力強，滿足電子產品小型化、集成化的條件，但純PZO薄膜儲能密度很低(～14J/cm³)，不足以支撐目前商業化的要求，并且通過外加電場誘導PZO發生反鐵電-鐵電相變會消耗大量能量，引起形變，導致薄膜的儲能效率低、器件不穩定。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的缺點與不足，提供一種提高介電薄膜電容器儲能密度的方法，提高了反鐵電材料PbZrO₃本身的飽和極化值和擊穿電場，獲得了高儲能密度的介電薄膜電容器。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種提高介電薄膜電容器儲能密度的方法，包括以下步驟：S1；制備底電極；S2：在底電極上沉積PbZrO₃薄膜；S3：向PbZrO₃注入氦離子；S4：制備頂電極。

本發明提供的提高介電薄膜電容器儲能密度的方法，向反鐵電材料PbZrO₃注入氦離子，氦離子進入PbZrO₃晶格內部使PbZrO₃晶體產生晶格畸變，破壞PbZrO₃晶體中偶極子的長程有序性，在頂電極和底電極之間的電場作用下，PbZrO₃晶體中偶極子的取向在短程內一致，從而具備了馳豫鐵電特性，氦離子不替代原來晶格位置的原子，極大提高了PbZrO₃本身的飽和極化值和擊穿電場，獲得了高儲能密度的介電薄膜電容器。

進一步，PbZrO₃薄膜的厚度為50-100nm，太薄則漏電流過大易造成發熱損壞，太厚則不利于器件的小型化。

進一步，S3中注入的氦離子劑量范圍為5×10¹⁴～5×10¹⁵ions/cm²。氦離子的注入劑量應適中，劑量太低則PbZrO₃晶體產生的畸變不足以打破偶極子的長程有序性，劑量太高則會破壞PbZrO₃晶格的完整性，造成非晶化。

進一步，S3中氦離子的注入能量為11-22keV。注入能量應適中，注入能量太低則氦離子可能無法注入晶格內部，停留在PbZrO₃晶粒表面，分布不均勻；注入能量太高則氦離子會穿透PbZrO₃進入底電極和底電極下層的基片，無法停留在PbZrO₃內部。