[发明专利]一种高储能特性的柔性钛酸铋钠基薄膜电容器及其制备方法

说明书

本发明属于电子功能材料与器件领域，具体涉及一种高储能特性的柔性钛酸铋钠基薄膜电容器及其制备方法。本发明的薄膜电容器，由柔性云母基片、Pt薄膜底电极、铁电薄膜层和金属Pt或Au顶电极组成。本发明的薄膜电容器，以钛酸铋钠基铁电薄膜作为功能层，其化学通式为0.97(0.94Na_0.5Bi_0.5TiO₃‑0.06BaTiO₃)‑0.03BiFeO₃‑xCeO₂‑yMnO₂，其中0≤x≤1%，0≤y≤2%，且y＞x。本发明工艺简单、成本低廉，所制备的柔性钛酸铋钠基薄膜电容器耐弯折、储能密度大、储能效率高、热稳定性好、损耗低，可满足柔性储能元器件的要求。

技术领域

本发明属于电子功能材料与器件领域，具体涉及一种高储能特性的柔性钛酸铋钠基薄膜电容器及其制备方法。

背景技术

介电储能电容器因其具有寿命长、效率高、充放电时间短等特点而备受青睐。随着高新技术的发展以及器件小型化的发展趋势，具有高储能、低成本、高可靠性、易集成等优点的铁电薄膜电容器成为研究热点。目前广泛应用于脉冲功率电子、移动电子设备等领域的薄膜电容器多以传统的锆钛酸铅(PZT)等铅基铁电薄膜作为功能层(参考文献：EmeryBrown, Chunrui Ma, Jagaran Acharya, Beihai Ma, Judy Wu and Jun Li,Controlling dielectric and relaxor-ferroelectric properties for energystorage by tuning Pb_0.92La_0.08Zr_0.52Ti_0.48O₃ film thickness, ACSApplied Materials Interfaces, 2014, 6, 22417−22422.)，但是高含量的铅对人类健康和生态环境造成严重危害。钛酸铋钠(Na_0.5Bi_0.5TiO₃)作为一种无铅弛豫型铁电体，居里温度高(T_c = 320 ℃)，被认为是一种极具潜力的储能电容器材料之一。

进入新世纪，物联网和柔性电子技术的兴起，对电子材料提出了更高的要求，既要求其性能卓越，也需要具备良好的柔性及延展性。柔性电子器件由于其轻质便携、智能可穿戴、界面人性化等突出特点可用于柔性显示、智能传感、生物医学等领域。目前，以硬性衬底为基底材料的钛酸铋钠基薄膜电容器表现出良好的储能特性，例如，Zhang等人通过在Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上生长了SrTiO₃固溶改性的Na_0.5Bi_0.5TiO₃薄膜，其储能密度可达27 J/cm³(参考文献：Yulei Zhang, Weili Li, Wenping Cao, Yu Feng, Yulong Qiao, TiandongZhang and Weidong Fei, Mn doping to enhance energy storage performance oflead-free 0.7NBT-0.3ST thin films with weak oxygen vacancies, Applied Physics Letters, 2017,110, 243901.)，但这种硬性衬底难以满足柔性电子器件可弯折的要求。而常用的柔性衬底如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)等有机聚合物耐温不超过200 ℃，无法满足钛酸铋钠基薄膜结晶所需的退火温度。透明的氟晶云母(Fluorocrystalmica)作为一种耐高温的二维柔性材料，是研发新型柔性钛酸铋钠基薄膜储能电容器的首选基底材料。

发明内容