[发明专利]一种高击穿场强的储能薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高击穿场强的储能薄膜及其制备方法，属于高性能储能薄膜材料制备技术领域。本发明解决了现有制备的储能薄膜击穿场强低、性能调控过程复杂以及储能密度低下等技术问题。本发明通过分层退火的方式，实现了高退火温度下的极化层叠加低退火温度下的耐压层，成功制备了具有电学性能的铁电薄膜。相较于现有离子掺杂、调控退火温度等现有解决手段相比，该薄膜结构设计方案，极大地降低了制备工艺的操作难度以及能源消耗，更加贴近工业生产并显著提高了储能密度。

技术领域

本发明涉及一种高击穿场强的储能薄膜及其制备方法，属于高性能储能薄膜材料制备技术领域。

背景技术

介质电容器有着更快的充放电速率(ns)和更高的功率密度(高达108W/kg)，能满足如混合动力汽车、医疗除颤器、以及卫星等超高功率电子和系统的要求。然而，介电电容器的进一步开发及应用受到低能量密度的严重限制。近些年来，由于薄膜材料厚度小、缺陷少、储能密度适中等优异特性，科研工作者们逐渐将目光从块体材料转移到薄膜材料上。

对于反铁电(AFE)材料这类介质电容器来说，提高击穿场强更能明显增加储能密度。现有的提高击穿场强的方式有主动引入离子掺杂、增加薄膜厚度、调控结晶温度以及增加异质结等，但是制备较为工艺繁琐，这无疑增加了制备的时间成本以及制备成本，因此提供一种能够保证一定的极化强度基础上实现较大的击穿电场的提升，大幅提高薄膜的储能密度的高击穿场强的储能薄膜结构及其制备方法是十分必要。

发明内容

本发明为了解决现有制备的储能薄膜击穿场强低、性能调控过程复杂以及储能密度低下等技术问题，提供一种新型的储能薄膜结构以及制备方法。

本发明的技术方案：

一种高击穿场强的储能薄膜，包括晶化层和非晶化层，薄膜厚度为200-700nm，晶化层与非晶化层厚度比为1：(1-5)。

进一步限定，晶化层厚度为40-230nm，非晶化层厚度为60-670nm。

更进一步限定，晶化层厚度和非晶化层厚度均为60-120nm。

更进一步限定，薄膜厚度为200-300nm。

进一步限定，薄膜为锆酸铅类反铁电薄膜。

一种上述高击穿场强的储能薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，通过气相法或液相法制备第一层薄膜，所述的第一层薄膜厚度需要达到晶化层厚度要求，然后进行高温退火处理，获得晶化层薄膜；

步骤2，在步骤1获得的晶化层薄膜表面采用气相沉积法或液相法涂覆第二层薄膜，所述的第二层薄膜厚度需要达到非晶化层厚度要求，然后进行低温退火处理，在晶化层薄膜表面制备非晶化层薄膜，获得高击穿场强的储能薄膜。

进一步限定，步骤1中高温退火的温度为650-750℃。

进一步限定，步骤2中低温退火的温度为400-650℃。

进一步限定，步骤1和步骤2中退火气氛为氧气，流速为0.2-0.7L/min。

进一步限定，气相沉积法制备薄膜为磁控溅射或化学气相沉积。

进一步限定，液相法制备薄膜为溶胶凝胶-旋涂法。

进一步限定，退火的方式包括但不限于快速退火炉，还可以是马弗炉、真空退火炉以及管式炉等。

应用上述方法制备锆酸铅基高击穿场强的储能薄膜的具体过程如下：