[发明专利]一种铌酸银基无铅反铁电储能薄膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种铌酸银基无铅反铁电储能薄膜及其制备方法，采用磁控溅射法在基片上外延生长一层La_0.5Sr_0.5CoO₃薄膜底电极，然后采用脉冲激光沉积法在所述La_0.5Sr_0.5CoO₃薄膜底电极上外延生长一层AgNbO₃薄膜，之后在所述AgNbO₃薄膜上生长一层La_0.5Sr_0.5CoO₃薄膜上电极，最后在La_0.5Sr_0.5CoO₃薄膜上电极上制备一层金属膜电极；其中，所述AgNbO₃薄膜的厚度为100~800nm。本发明采用脉冲激光沉积技术使ANO薄膜外延生长在LSCO底电极上，相比于ANO块材，ANO外延薄膜的介电击穿强度和储能密度得到显著提高。同时极大的减小了ANO的使用成本以及占用空间，使其在大规模集成电路中有广泛的应用潜力。

技术领域

本发明涉及功能薄膜材料技术领域，具体地说是涉及一种铌酸银基无铅反铁电储能薄膜及其制备方法。

背景技术

科技的发展对电子器件存储、吸收和提供电力的要求日渐提高。根据储能时间的长短，商业储能设备可分为长期储能设备和短期储能设备两类。通常来说，电池属于长期储能设备，电容器属于短期储能设备。电池具有高能量密度(10~300Wh/kg)，但由于载流子移动缓慢，其功率密度很低(通常低于500W/kg)，因此电池主要用于长期稳定的能量供应。而电容器通常具有高功率密度(电化学超级电容器达10¹~10⁶W/kg和介电电容器可达10⁸W/kg)和低能量密度(一般低于30Wh/kg)，常被用来产生脉冲电压或电流。

目前，商业上使用的电介质电容器主要是由介电聚合物或介电陶瓷制作的，它们的能量密度大约为10^-2~10^-1Wh/kg(小于2J/cm³)。与传统电介质电容器相比，电化学超级电容器具有适中的能量密度，但其功率密度仍然不能满足混合动力汽车、电子枪等超高功率设备和系统的应用需求。因此，如果电介质电容器的储能密度可以提高至电化学超级电容器甚至电池的级别，其应用领域将会被极大地扩展。具有高储能密度的电介质电容器将进一步促进电子和电气系统的小型化、轻量化和集成化。同时陶瓷介质电容器兼具良好的机械性能和热性能，是脉冲功率技术最关键的储能元件。其中，具有双电滞回线特征的反铁电储能材料一直备受关注，但是，其研究主要集中在含铅反铁电体系。铅基反铁电陶瓷块体、厚薄和薄膜均表现出优异的储能性能。通过掺杂改性和优化制备工艺，铅基陶瓷块体的可释放能量密度(W_rec)可达10J/cm³以上，而铅基薄膜或厚薄由于具有高介电击穿强度E_b，其W_rec高达50J/cm³以上。但是该体系材料中含有大量有毒的铅，在生产、使用及废弃处理过程中均会给人类健康和生态环境带来严重的危害。更重要的是，无铅介电陶瓷密度(5.0-7.0g/cm³)低于铅基陶瓷(~7.5g/cm³)，更易满足脉冲功率设备对储能电容器“轻量化”的要求。因此，研发性能优异的无铅反铁电储能陶瓷材料成为一项紧迫且具有重大实用意义的课题。

近来研究表明，AgNbO₃（ANO）基陶瓷是一类新型无铅反铁电储能材料，但其储能性能受制于较低的介电击穿强度E_b。目前，关于AgNbO₃薄膜储能性能的研究鲜有报道。因此，研究并提高AgNbO₃无铅薄膜的储能性能成为具有重要生产实践意义的问题。

发明内容