[发明专利]具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料及其制备方法

说明书

本申请公开了一种具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料及其制备方法。多组分弛豫铁电薄膜材料包括基底层、形成于基底层上的底电极层以及形成于底电极层上的实际功能层，实际功能层为基于底电极层生长的具有弛豫铁电性的多层结构薄膜；其制备方法为：选取晶面取向为[100]的刚性STO层作为基底层；在STO基底上生成SRO层作为底电极层；在SRO层上生成BTO‑STO‑BFO多层结构作为实际功能层，得到多组分弛豫铁电薄膜材料。本申请的多组分弛豫铁电薄膜材料为超晶格结构，具有高饱和极化强度值、低剩余极化强度值、高击穿场强的优点，同时具有优异的储能密度与储能效率。

技术领域

本申请涉及弛豫铁电能量存储材料的领域，更具体地说，涉及一种具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料及其制备方法。

背景技术

近年来，关于电介质储能材料的储能设备发展和研究越来越受到极大关注，研究的内容主要集中于三方面：(1)电介质储能材料的储能性能的提高；(2)电介质储能材料的多种新型结构的构建；(3)电介质储能材料的内部结构或缺陷的探索。

电介质储能材料的研究主要集中于反铁电材料和弛豫铁电材料两类，反铁电材料拥有高的击穿场强和饱和极化强度，但能量损耗过大导致储能密度也无法达到一个更高值。而相比于反铁电材料，弛豫铁电材料具有更大的击穿场强和饱和极化强度，同时具有更低的剩余极化强度和能量损耗，因此更适合作为电容器来实现更大的储能性能。

现阶段，弛豫铁电材料多为含铅基的电介质储能材料，含铅基的电介质储能材料因储能密度大而经常应用于电容器，但铅基对环境和人体都有极大的危害，因此科研上开始朝着无铅电介质储能材料进行研究。研究过程中存在一个比较棘手的问题是无铅电介质储能材料的储能密度没有含铅基电介质储能材料的储能密度大。基于此，科研上开始采用多种不同新型结构来提升无铅电介质储能材料的储能性能，包括两相固溶、界面工程技术等方法，其中以界面工程技术的提升效率更好。

同时，研究过程中还发现电介质储能材料的内部结构或缺陷对于材料的储能性能也至关重要，内部结构越致密、缺陷越少的电容器会有更高的储能密度与储能效率。但目前电介质储能材料的内部结构存在缺陷，主要表现为氧空位、裂纹、致密度不高等现象。

因此，研究出一种具有更加致密内部结构的电介质储能材料是很有意义的。

发明内容

为了改善目前电介质储能材料因内部结构存在缺陷而导致储能密度与储能效率不佳的问题，本申请提供一种具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料，采用如下的技术方案：

一种具有超晶格结构和超高储能效率的多组分弛豫铁电薄膜材料，包括基底层、形成于所述基底层上的底电极层以及形成于所述底电极层上的实际功能层；

所述实际功能层为基于所述底电极层生长的具有弛豫铁电性的多层结构薄膜。

通过采用上述技术方案，制备的多组分弛豫铁电薄膜材料为超晶格结构，可生长出更佳质量的弛豫铁电薄膜，且具有高饱和极化强度值、低剩余极化强度值、高击穿场强的优点，同时具有优异的储能密度与储能效率。

优选的，所述基底层为刚性SrTiO₃（STO）基底，所述STO基底的晶面取向为[100]。

优选的，所述底电极层为基于所述基底层生长的SrRuO₃（SRO）层。

优选的，所述实际功能层为所述多层结构薄膜重复多周期叠加形成的超晶格结构。

优选的，所述多层结构薄膜包括依次叠加生长于所述底电极层上的下层、中层及上层，所述下层的组成元素包括Ba和Ti，所述中层的组成元素包括Sr和Ti，所述上层的组成元素包括Bi和Fe。