[发明专利]用于高密度储能的铁酸铋基电介质薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于电介质材料领域，具体而言，本发明涉及用于高密度储能的铁酸铋基电介质薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

电介质电容器作为主要的无源储能器件，以其快速的充放电速度和超高的功率密度，广泛应用于电子电路中，可以实现隔直通交、耦合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换等功能。然而其较低的储能密度成为其进一步发展和应用的瓶颈。目前商业化的电介质材料储能密度仅约2J/cm³，与电化学电容器或电池相比低了一至两个数量级。因此，探索具有高储能密度的电介质材料一直是该领域研究热点。

陶瓷薄膜电介质具有大的介电常数和高的击穿场强，成为最有希望获得高储能密度的电介质材料体系，同时由于其体积小、机械性能好、耐高温性能优异，有望在器件小型化、集成化和极端条件下获得应用。目前在一大类锆钛酸铅(PZT)基薄膜电介质中已经实现了30～60J/cm³的高储能密度。其中具有代表性的如：Zhongqiang Hu等利用化学沉积法制备的Pb_0.96La_0.04Zr_0.98Ti_0.02O₃反铁电薄膜具有61J/cm³的储能密度，并在室温到225摄氏度范围内保持性能稳定；Guangliang Hu等利用脉冲激光沉积方法制备的Pb_0.92La_0.08Zr_0.52Ti_0.48O₃弛豫铁电薄膜则可以实现31J/cm³的储能密度，并在室温到180摄氏度范围内保持性能稳定。但是这些材料中含有的铅对人体健康和环境有较大危害，废弃后不易处理。因此，开发具有大介电常数、高击穿场强、高储能密度和良好温度稳定性的无铅薄膜电介质材料成为该领域当前的急迫任务。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于高密度储能的铁酸铋基电介质薄膜及其制备方法和应用。该电介质薄膜具有优异的储能性能，储能密度可达70.3J/cm³，并具有70％的高储能效率。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于高密度储能的铁酸铋基电介质薄膜，根据本发明的实施例，所述电介质薄膜化学成分通式为(1-x)BiFeO₃-xSrTiO₃，其中，x为摩尔分数，且0<x<1。

发明人发现，铁酸铋(BiFeO₃)属于多铁材料的一种，具有铁电性和反铁磁性，并伴随弱的铁磁性，其铁电性是由于Bi离子具有孤对电子引起的，理论上其铁电极化高于100uC/cm²，但是由于很难制备出纯的铁酸铋，其中存在二次相和各种缺陷，导致很难测出其真实的铁电极化，通常在铁酸铋陶瓷中测得的铁电极化只有几个uC/cm²；钛酸锶(SrTiO₃)具有典型的钙钛矿型结构，是一种用途广泛的电子功能陶瓷材料，具有介电常数高、介电损耗低、热稳定性好等优点，广泛应用于电子、机械和陶瓷工业。由此，将两者形成固溶体(1-x)BiFeO₃-xSrTiO₃(x为摩尔分数，0<x<1)，通过调控x的值，所得到的电介质薄膜具有优异的铁电性能和绝缘性质，其击穿场强可达3～4MV/cm，储能密度可达70.3J/cm³，并具有70％的高储能效率。实验证明这种铁酸铋基电介质薄膜同时兼具较大的介电常数、较小的介电损耗、较高的击穿场强和优异的储能性能，是一种有希望应用于嵌入式电容器、静电储能元器件、脉冲功率技术等领域的材料。

另外，根据本发明上述实施例的用于高密度储能的铁酸铋基电介质薄膜还可以具有如下附加特征：

在本发明的一些实施例中，所述用于高密度储能的铁酸铋基电介质薄膜的厚度为150nm-2μm。由此，有利于改善电介质薄膜的生长质量、提高电介质薄膜的储能性能。

在本发明的一些实施例中，所述用于高密度储能的铁酸铋基电介质薄膜在Fe位进行过渡元素掺杂。由此，可改善薄膜的绝缘性质，进一步提高电介质薄膜的储能性能。

在本发明的一些实施例中，所述过渡元素的掺杂量为0.1wt％-2.0wt％。由此，可进一步提高电介质薄膜的击穿性质和储能性能。