[发明专利]钛酸锶铋/铁酸铋异质电介质薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种钛酸锶铋/铁酸铋异质电介质薄膜及其制备方法和应用，所述电介质薄膜的化学组成为Sr_0.7Bi_0.2TiO₃/xBiFeO₃，其中x=1~3，所述x为铁酸铋的层数，所述电介质薄膜为具有异种材料界面的叠层结构；其制备方法为溶胶凝胶法，按照化学计量比配置前驱体溶液，随后滴至洗净的Pt/Ti/SiO₂/Si基片上旋转涂覆，依次经过200 ^oC‑450 ^oC‑700 ^oC热处理，重复上述旋转镀膜以及热处理工艺，直至膜厚为~300 nm。与现有技术相比，发明制备的高储能密度薄膜电容器具有优异的储能性能，其储能密度可达50.9 J/cm³，储能效率可达52.84%，温度稳定性良好。

技术领域

本发明涉及电子功能材料和器件领域，尤其是涉及一种高储能密度的钛酸锶铋/铁酸铋异质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，具有快读的充放电速率以及超高的功率密度，也因此被广泛应用于电子电路中，可以实现隔直通交、藕合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换等功能。然而目前其发展遇到了瓶颈，其储能密度以及储能效率维持在较低的水平，另外目前电介质电容器的温度稳定性较差。目前商业化的电介质储能密度仅约为2 J/cm³，较之电化学电容器或电池，其储能密度差了一至两个数量级。

反铁电薄膜电容器具有较高的介电常数和耐击穿场强，被认为是最优希望获得高储能密度的电介质体系，同时其体积小，重量轻，易于集成，被众多科研工作者所研究，而且目前已经商业化的电介质电容器基本都是以铅基材料制备，如Pb(Zr,Ti)O₃, Pb(Zr,Sn,Ti)O₃ 和 (Pb,La)TiO₃，但是铅是一种有毒元素，在铅基材料的制备过程中，铅的挥发会造成环境的严重污染，同时会危害人体健康，世界各国对无铅压电材料的研究十分重视。例如，欧盟于2003年通过RoHS法令、日本通过“家用电子产品回收法案”、我国也于2006年出台《电子信息产品生产污染防治管理办法》。因此，开发环境友好型的无铅材料来取代铅基材料是关系到可持续发展战略的一件大事。

另一类材料为有机高分子材料，如PVDF，其具有极高的耐击穿场强，因而具有较高的储能密度，但是其耐高温性能较差，这在很大程度上限制了有机高分子材料的应用，尤其是航空航天等对温度要求高的领域。

因此，世界各国的科技工作者正在抓紧研究具有大介电常数、高耐击穿场强，高储能密度和良好的温度稳定性的少铅或者无铅薄膜电介质材料。其中，钛酸锶铋由于具有较低的损耗和极高的击穿场强，近来受到了人们的广泛关注，然而纯的钛酸锶铋薄膜具有较低的介电常数和居里温度（-75 ℃），这使得纯的钛酸锶铋薄膜很难得到高的储能密度，而且应用范围有限。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高储能密度的钛酸锶铋/铁酸铋异质电介质薄膜及其制备方法和应用，本申请采用的制备方法大大提高了电介质薄膜的储能密度，使制备的电介质薄膜在不同电场，不同温度下，都能保持高储能密度。

本技术方案的研发构思起始为，为了提高钛酸锶铋薄膜性能，通过与异种材料形成界面，利用界面层的特殊作用，延缓电子束在薄膜中的发展，进而提高材料的击穿场强。另外，由于界面层的存在，界面电荷还可能会带来界面极化，极化值提高，材料的储能特性得到大的提升。

进一步研发过程中，本申请引入高极化值（110 μC/cm²）和高居里温度(~850 °C)的铁酸铋铁电材料，同钛酸锶铋形成异质电介质薄，使得材料的P-E曲线变的瘦长，因此大大提高了电介质薄膜的储能密度，同时使之在不同电场，不同温度下，都能保持高储能密度，大大提高了器件的稳定性。