[发明专利]一种具有高储能密度的锆酸铅基反铁电厚膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有高储能密度的锆酸铅基反铁电厚膜及制备方法，适用于高功率大容量存储电容器件的开发和应用，属于电子功能材料与器件领域。

背景技术

近年来，随着微电子技术的迅猛发展，高功率密度大容量电容器的制备已成为制约微电子器件走向微型化、集成化以及模块化应用的关键因素之一。制备高功率大容量电容器的关键是寻求一种同时具有高能量存储密度、高储能效率(也称之为低能量损耗)及快速存放电行为的材料。具有快速相变行为的材料可能在高功率密度大容量电容器中得到应用。

反铁电体是一种典型的相变材料，在电场、温度及应力的作用下可以实现反铁电态(AFE)与铁电态(FE)之间的相互转变，从而可以实现能量的存储与释放。与目前广泛应用的线性介电材料和铁电材料相比，反铁电材料在能量存储过程中具有：(1)当反铁电材料处于反铁电态时，其宏观极化强度为零，而其诱导铁电态具有较高的宏观极化强度，所以其能量存储密度较大，远高于铁电及线性介电材料的能量存储密度；(2)由于反铁电材料中180°畴的存在，因而在相变过程中能量损耗较低，大部分能量在发生铁电-反铁电相变时可以释放出来，故其储能效率较高；(3)反铁电材料的反铁电态与铁电态间的相变过程极短，通常所需时间小于10-6s，从而其存放电速度极快；(4)可以通过电场、温度及应力的作用来对其相变过程进行调控，从而可以实现储能行为的裁剪。目前国内外对反铁电材料的研究主要集中在块材和薄膜材料，这在很大程度上限制了反铁电材料的应用领域。因而，反铁电材料的厚膜化是此类材料能够在高功率密度大容量电容器中得以应用的一个重要途径。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前的线性介电材料和铁电材料在高功率大容量电容器应用中的不足，提供一种具有高储能密度的锆酸铅基反铁电厚膜及制备方法，该方法制得的反铁电厚膜材料具有能量存储密度高、能量损耗低、存放电速度快，适用于高功率大容量存储电容器。

技术解决方案：

一种具有高储能密度的锆酸铅基反铁电厚膜，包括以下化学组分：按质量比：(Pb_1-aLa_2a/3)(Zr_1-x-ySn_xTi_y)O₃∶玻璃粉∶有机粘结剂＝70～80∶1～5∶15～25，其中：0≤a≤0.06，0≤x≤0.45，0≤y≤0.10。

所述玻璃粉为PbO、B₂O₃、SiO₂、ZnO原料，按质量比PbO∶B₂O₃∶SiO₂∶ZnO＝75～60∶15～20∶10～15∶1～5的混合物。

所述有机粘结剂为松节油醇与乙基纤维素按95～90∶5～10的质量比的混合物。

一种具有高储能密度的锆酸铅基反铁电厚膜的制备方法，包括如下步骤：

1)配制厚膜浆料

a.采用固相反应法合成：(Pb_1-aLa_2a/3)(Zr_1-x-ySn_xTi_y)O₃粉体，式中0≤a≤0.06，0≤x≤0.45，0≤y≤0.10；

b.将PbO、B₂O₃、SiO₂、ZnO原料按质量比为(75～60)∶(15～20)∶(10～15)∶(0～5)混合，采用熔融法制得Pb-B-Si-Zn玻璃粉；

c.配制有机粘结剂：将松节油醇与乙基纤维素按(95～90)∶(5～10)的质量比混合，在80～100℃的水浴中充分搅拌2～5小时，使乙基纤维素完全溶入松油醇后，放凉待用；

d.将步骤1)中的a、b、c步骤中所得到的(Pb_1-aLa_2a/3)(Zr_1-x-ySn_xTi_y)O₃(0≤a≤0.06，0≤x≤0.45，0≤y≤0.10)粉体、玻璃粉、有机粘结剂按质量比为(70-80)∶(1-5)∶(15-25)配制，研磨混合均匀制成厚膜浆料；

2)制备厚膜：

a.制作底电极：采用丝网印刷法在氧化铝基片上制得Ag-Pa底电极；

b.将步骤1)中制得的厚膜浆料采用丝网印刷法印制在步骤2)中a步骤中制得Ag-Pa底电极材料上；