[发明专利]一种具有高击穿场强的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击穿场强的锆酸铅基反铁电厚膜及其制备方法，特别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

多离子掺杂锆酸铅(Pb_1-aLa_2a/3)(Zr_1-x-ySn_xTi_y)O₃(0≤a≤0.06，0≤x≤0.45，0≤y≤0.10)基反铁电材料在外加电场诱导下将发生反铁电-铁电相变，在此相变过程中，其晶体结构也将发生变化，宏观上表现为锆酸铅基反铁电材料极化强度的巨大变化。其变化量远大于在电场作用下铁电和其他介电材料的极化强度变化，正是由于这一特性，锆酸铅基反铁电材料有望在高储能密度大容量电容器中得到应用。然而，锆酸铅基反铁电块体陶瓷材料存在反铁电-铁电相变所需外加工作电压较高和块体材料的击穿强度较低的问题，限制了反铁电块体陶瓷材料的应用；虽然反铁电薄膜(厚度小于1μm)材料化具有较高的击穿电压和较低的工作电压，但由于其厚度的限制，总体储能容量较低，使其在实际的应用价值不大。因而，反铁电材料的厚膜(厚度大于1μm)化则是解决这一问题的重要途径。随着集成硅工艺的出现以及溶胶-凝胶厚膜制备技术的发展，锆酸铅基反铁电厚膜材料在高储能密度大容量电容器中的应用已成为可能。

目前，利用溶胶-凝胶法得到的锆酸铅基反铁电厚膜材料致密性较差，导致其击穿电场和饱和极化强度较低，且能量损耗较高。因此，选择合适的制备原料及热处理过程以提高反铁电厚膜的击穿电场强度和饱和极化强度，进而提高反铁电材料的储能密度是现阶段研究反铁电材料的一个重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种致密性好，击穿电场和饱和极化强度高，且能量损耗低，储能密度高的反铁电厚膜及其制备方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明化学组成：(Pb_1-aLa_2a/3)(Zr_1-x-ySn_xTi_y)O₃，其中：0≤a≤0.06，0≤x≤0.45，0≤y≤0.10，成膜助剂为聚乙烯吡咯烷酮PVP，按摩尔比(Pb_1-aLa_2a/3)(Zr_1-x-ySn_xTi_y)O₃∶聚乙烯吡咯烷酮PVP＝1∶(0.5～2)。

一种具有高击穿场强特性的锆酸铅基反铁电厚膜的制备方法，包括如下步骤：

1)前驱体溶液的制备：

配制化学组分为(Pb_1-aLa_2a/3)(Zr_1-x-ySn_xTi_y)O₃的前驱体溶液，其溶质为醋酸铅、醋酸镧、醋酸锡、异丙醇钛、正丙醇锆，其中：按摩尔比，醋酸铅∶醋酸镧∶醋酸锡∶异丙醇钛∶正丙醇锆＝(1-a)∶(2a/3)∶(1-x-y)∶x∶y，其中，0≤a≤0.06，0≤x≤0.45，0≤y≤0.10，溶剂为冰醋酸和水，成膜助剂为聚乙烯吡咯烷酮PVP，按摩尔比，(Pb_1-aLa_2a/3)(Zr_1-x-ySn_xTi_y)O₃∶聚乙烯吡咯烷酮PVP＝1∶(0.5～2)，前驱体溶液的浓度控制在0.4～0.7M/L；

2)制膜：

a)采用旋涂法将步骤1)中制得的前驱体溶液涂覆在LaNiO₃或Pt底电极材料上，旋转速度为3000～5000转/分、旋转时间为10～40秒，制成湿凝胶膜；

b)将步骤a)中制得的湿凝胶膜进行热处理，湿凝胶膜在300～500℃的环境下放置5～20分钟，然后再在600～700℃的环境下放置5～20分钟，取出后冷却至室温，制得干凝胶膜；

c)在步骤b)中制得的干凝胶膜上涂覆下一层前驱体溶液，涂覆步骤与a)相同，进行热处理，热处理过程与步骤b)相同，循环往复直到获得满足所需厚度的厚膜；