[发明专利]钛酸锶铋基无铅弛豫铁电薄膜、制备方法及应用

说明书

本发明提供一种钛酸锶铋基无铅弛豫铁电薄膜、制备方法及其应用，通过溶胶‑凝胶法在钛酸锶铋基中引入钛酸钡铁电材料，提高材料的介电常数以及致密度，进而提高材料的储能性能，在此基础上，结合引入Mn元素，使得材料的击穿场强提升，使材料的P‑E曲线变得纤细，大大提高了钛酸锶铋基无铅弛豫铁电薄膜的储能密度和储能效率，在不同电场下都能保持高储能密度和高储能效率。

技术领域

本发明涉及铁电薄膜材料技术领域，具体而言涉及一种钛酸锶铋基无铅弛豫铁电薄膜、制备方法及应用。

背景技术

相比于其他电能储存器，包括电池和电化学超级电容器，电介质电容器拥有更快的充放电速率和更高的功率密度，可广泛应用于电动汽车、脉冲式电子设备及电力系统中。根据介质的不同，电介质电容器主要分为电介质陶瓷电容器和电介质复合电容器，对于电介质陶瓷电容器而言，相比于电介质储能陶瓷，薄膜材料拥有更小的厚度，可以施加更高的电场，获得更大的储能密度，近年来，电介质薄膜电容器受到了更广泛的关注。

目前电介质薄膜电容器中，主要使用的介电材料有线性电介质(LD)、顺电体(PE)、铁电体(FE)、反铁电体(AFE)和弛豫铁电体(RFE)。铁电材料可以通过提升最大极化强度、降低剩余极化强度以及提高击穿场强以提高材料的储能密度，弛豫铁电体材料具有细长电滞回线，因此其具有低剩余极化强度，从而具有更好的储能密度，被广泛应用在薄膜电容器中。

Sr_0.7Bi_0.2TiO₃基薄膜作为一类典型的无铅弛豫铁电储能材料，近来受到了人们的广泛关注，但是纯Sr_0.7Bi_0.2TiO₃薄膜的介电常数和击穿强度较低，导致其储能性能较差，从而影响其的进一步应用。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种钛酸锶铋基无铅弛豫铁电薄膜，通过引入钛酸钡组分提高薄膜的介电常数以及致密度，结合Mn的掺杂减小铁电材料中的缺陷，降低铁电材料的漏电流，从而提高了Sr_0.7Bi_0.2TiO₃基弛豫铁电薄膜的储能密度和储能效率，使制备的储能薄膜在不同电场下都能保持高储能密度和高储能效率。

根据本发明目的第一方面，该薄膜的化学组成为0.9Sr_0.7Bi_0.2TiO₃-0.1BaTiO₃-xMn，其中x为摩尔比，x＝0～0.02。

优选地，x＝0.01。

优选地，所述薄膜的厚度为260～280nm。

根据本发明目的第二方面，提供一种前述钛酸锶铋基无铅弛豫铁电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、称取适量的乙酸锰，并将乙酸锰溶于乙酸，得到溶液A；

按照组成的化学计量比称取乙酸锶，乙酸铋，乙酸钡，并溶解在乙酸和乙二醇甲醚的混合溶剂中，得到溶液B；

S2、在溶液B中加入按照组成的化学计量比的溶液A，并进行去水及回流，得到溶液C；

S3、称取适量的异丙醇钛和乙酰丙酮，并将异丙醇钛快速加入乙酰丙酮中，得到溶液D；

S4、在溶液C中加入按照组成的化学计量比的溶液D，恒温搅拌回流，再经过陈化、过滤，并抽真空，得到前驱体溶胶；

S5、将前驱体溶胶均匀旋涂在衬底上并进行干燥热解，重复旋涂数、干燥，热解的过程直至达到所需厚度的薄膜；

将所得薄膜进行退火结晶，得到钛酸锶铋基无铅弛豫铁电薄膜。

优选地，所述溶液A的浓度为0.1mol/L。