[发明专利]一种高储能密度玻璃陶瓷薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种高储能密度玻璃陶瓷薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)选择原料，配料，研磨，混合，所述原料为PbO，SrCO₃，Na₂CO₃，Nb₂O₅和SiO₂；将所述原料加热熔融，在模具中成型为片状物；(2)将步骤(1)制备的片状物进行可控结晶热处理，得到以铌酸盐陶瓷相为主晶相的玻璃陶瓷片，通过机械加工得到圆片靶材；(3)清洗重掺硅衬底，去除重掺硅表面的氧化层，得到基片，将所述基片和步骤(2)得到的靶材分别进行沉积；(4)通过光刻工艺制备规则图案，使用磁控溅射在靶材表面镀金3min，形成顶电极，在基片底部镀铝15min，使铝与重掺硅基片形成欧姆接触作为底电极，形成MIM结构的电容。

技术领域

本发明涉及一种高储能密度玻璃陶瓷薄膜的制备方法。

背景技术

高储能密度电容器是近年来的一个研究热点，在实际应用中用途广泛，比如可以用来存储能量，还可以在电子装置中用作直流母线电容器等。其中，薄膜电容器由于其体积小，驱动电压低，存储能量密度高，制备工艺简单，便于集成制作元器件及可靠性高等特点逐渐开始受到广泛关注。

薄膜电容器一般选用陶瓷类物质或者聚合物充当介质层，它们分别具有较高的相对介电常数或击穿电压。目前常见的聚合物材料主要为聚丙烯和聚偏氟乙烯等，常用的陶瓷材料主要为钛酸盐系列，玻璃陶瓷则是一种具有良好综合性能的新型介质材料。玻璃陶瓷是在玻璃基体中均匀析出高介电常数的陶瓷相材料，具有耐高压的玻璃相和高介电常数陶瓷相两种物相，使得玻璃陶瓷具备高的储能密度，而随着玻璃陶瓷厚度的减小，一方面由于大尺寸缺陷的减小，另一方面由于平行板电容器直径与厚度的比值变大，介质受边缘电场集中的影响减弱，可获得更高的击穿场强，从而提高材料的储能密度。因此，玻璃陶瓷薄膜是理想的高储能介质材料。

目前的铁电薄膜储能电容器主要为钛酸盐系列，如Ogihara H等采用固相反应法制备了0.7BaTiO₃-0.3BiScO₃陶瓷，室温下，电场为73kV/mm时，储能密度为～6.1J/cm³，制备方法众多，如Guo D J等采用溶胶-凝胶法在Pt衬底上制备了BZT薄膜，Guo Y P等采用化学溶液沉积法以Pt/Ti/SiO₂/Si为衬底制备了三明治结构的BaTiO₃基薄膜，QIN W F等利用脉冲激光沉积法在LaNiO₃/LaAlO₃(001)衬底上生长了Ba_0.6Mn_0.4TiO₃(BST)和Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃(BZT)单层薄膜，所制备的薄膜均为陶瓷相与气孔并存状态，由于气孔的存在，导致介质薄膜的耐压水平及漏电流成为限制材料应用的短板。而玻璃陶瓷薄膜致密无空隙的优点，使得其在保持一定介电常数的同时，获得高的击穿场强及低的漏电流，目前，对于玻璃陶瓷薄膜的制备未见报道，本发明提供了一种制备高储能密度玻璃陶瓷薄膜的方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种高储能密度玻璃陶瓷薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)选择分析纯粉末原料，按照一定的摩尔比例进行配料，利用直径5-15mm的玛瑙球作为研磨介质，在混料罐中利用翻转混料机混合4小时。

将混合均匀的原料加入铂金坩埚中，在1420℃的高温下保温3小时。接着将熔融均匀的玻璃液快速倒入500℃提前预热的金属模具中，成型后放入退火炉中进行去应力退火，保温6h后，关掉退火炉，随炉冷却；

(2)将步骤(1)制备的玻璃片进行可控结晶热处理，处理工艺如下：在600℃保温3h，促使主陶瓷相均匀形核，然后缓慢升温到900-1000℃，保温3h使晶核均匀长大，得到以铌酸盐陶瓷相为主晶相的玻璃陶瓷片。