[发明专利]一种BaZr0.35Ti0.65O3外延薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及储能薄膜材料领域，具体公开一种BaZr_0.35Ti_0.65O₃外延薄膜及其制备方法，本发明的BaZr_0.35Ti_0.65O₃外延薄膜包括Nb:SrTiO₃基片和薄膜，所述薄膜设置于Nb:SrTiO₃基片的上表面；所述薄膜包括掺杂了1％SiO₂的BaZr_0.35Ti_0.65O₃薄膜和BaZr_0.35Ti_0.65O₃薄膜；本发明的薄膜在击穿场强高的同时，具有很好的宽温储能特性。

技术领域

本发明涉及储能薄膜材料领域，具体涉及一种BaZr_0.35Ti_0.65O₃外延薄膜及其制备方法。

背景技术

“能源战争”、“十面霾伏”等现象折射出的日益严峻的能源危机和环境问题已成为困扰当今经济和社会发展的首要问题。介电电容器作为主要储能元器件之一，能够在毫秒甚至微秒内快速充放电，提供高达10⁸W/kg的功率密度，明显高于电池和电化学电容器(一般低于500 W/kg)。并且，介电电容器还具有抗循环老化、环境适应性强、性能稳定等优点。这些特性使其在民用领域中的新能源发电系统、混合动力汽车的逆变设备、医疗设备，科研领域中的粒子加速器、激光器，军事领域中的电磁炮、坦克、定向能武器等方面具有不可或缺的应用价值。然而，随着电子器件向着小型化、集成化、轻量化的方向发展，亟需提高电容器在高温的储能密度和热稳定性。一方面，航空航天、石油钻井等领域要求电容器的工作温度大于150℃，而目前广泛使用的X7R和X8R分别只能在125℃和150℃以下使用，无法满足更高温度的要求。另一方面，器件的工作温度总在一定范围内波动，需要电容器能够在不同的或不断变化的温度环境下运行，具有优秀的热稳定性。更重要的是，电容器如果能在宽温区内保持较高的储能密度，就可以有效地减少设备的体积和重量，从而大大降低成本。

介电电容器通常是由上下两个电极及中间的介质组成，其性能主要取决于中间的介质材料。如图1所示，电容器充电时所存储的能量为P-E曲线中充电曲线左边包围的面积，可表示为：释放的电能(以下称储能密度)为P-E曲线中放电曲线左边包围的面积，可表示为：电能释放的效率(以下称储能效率)可表示为：η＝W_rec/(W_rec+W_loss)×100％。由此可知，想要在-100～200℃宽温区内获得稳定的高储能密度，研究者希望介质材料具有以下特性：1)在宽温区内的击穿场强(E_max)和最大极化强度P_m尽量大；2)剩余极化P_r和矫顽场E_c尽量小；3)介电常数在宽温区的变化尽量小。

BaZr_0.35Ti_0.65O₃(即BZT)弛豫铁电体的介电常数较大，且在较宽的温区内变化较小，但是击穿场强通常和介电常数成反比，也就是说在单一的材料中是无法实现既有较大的介电常数又有较大的击穿场强，也就无法在宽温区域内实现较大的储能密度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种BaZr_0.35Ti_0.65O₃外延薄膜及其制备方法，本发明的外延薄膜能够在宽温区域内具有较大的储能密度。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：