一種無鉛型高儲能密度鐵電薄膜的制備方法
1.本發明屬于電子信息材料與元器件領域，特別涉及一種基于鐵電效應的無鉛型高儲能密度鐵電薄膜及其制備方法。
背景技術：
2.電容器作為電子設備中大量使用的電子元件之一，被廣泛應用于電子電路系統。隨著科學技術的進步，脈沖功率技術已廣泛應用于科學實驗、混合動力電動汽車、能源動力系統和心臟除顫器等多個領域。脈沖功率技術需要電容器提供瞬時大功率密度的能量和高電壓，這對電容器的性能提出了新的挑戰。電介質電容器與充電電路斷開時可以釋放電能，它可以像再充電能儲存裝置一樣使用。與鋰離子電池和燃料電池相比，電介質電容器具有較高功率密度和快速充電放電的典型特征，同時還具有大開路電壓和長循環壽命的優點，這使得電介質電容器被廣泛應用于脈沖功率技術設備，但電介質電容器的能量密度和效率仍然較低，有待進一步的優化。
3.對于電介質電容器，介電常數(ε)、最大極化強度(p
max
)、剩余極化強度(pr)和擊穿場強(bds)共同決定著電介質材料的儲能特性。與其他材料相比，薄膜材料由于其較高的bds和ε，能獲得優異的儲能特性。目前大量的研究主要集中在鉛基薄膜材料上，主要是由于含鉛材料具有良好的絕緣性和優異的極化特性，然而含鉛材料會對人類的健康和自然環境造成嚴重的威脅，所以有必要研究無鉛薄膜的儲能特性。鋯鈦酸鋇(bazr
x
ti
1-x
o3，簡寫為bzt)屬于鈦酸鋇(batio3)系的b位取代后所得到的新的無鉛鈣鈦礦鐵電材料，由于zr
4+
的離子半徑大于ti
4+
的離子半徑，能帶來更好的化學穩定性和較低的損耗，并且具有體積小、重量輕、易制備，表面致密等優點，可以通過插入夾層、改變襯底類型或后退火工藝等方法來調節薄膜性能，在儲能領域具有很好的應用前景。但是，bzt薄膜的介電損耗較高，導致bds較小，相比鉛基薄膜材料而言，其儲能密度較低，因此尋合適的制備方法來優化其儲能特性是目前亟待解決的問題。
技術實現要素：
4.本發明目的是針對上述存在問題，提供一種基于鐵電效應的無鉛型高儲能密度鐵電薄膜，同時還提供了該鐵電薄膜的制備方法，本發明以ba(zr
0.35
ti
0.65
)o3陶瓷靶材為原料，采用磁控濺射方法制備鐵電薄膜，并對其進行高溫退火，改善薄膜內部缺陷，使得薄膜漏電流密度減小進而提高薄膜的擊穿場強，該薄膜具有損耗小、耐壓強度高、儲能密度大、儲能效率高的優點。
5.本發明通過如下技術方案予以實現：
6.一種基于鐵電效應的無鉛型高儲能密度鐵電薄膜，是在pt(111)/ti/sio2/si復合襯底上沉積而成的鐵電薄膜，其中復合襯底自上而下分別為pt、ti、sio2和si，復合襯底上沉積的具有鐵電效應的鐵電薄膜化學式為ba(zr
0.35
ti
0.65
)o3(簡寫為bzt35)，厚度為200-400nm。
7.一種基于鐵電效應的無鉛型高儲能密度鐵電薄膜的制備方法，步驟如下：
8.(1)將pt(111)/ti/sio2/si襯底和bzt35陶瓷靶材(規格：φ60*3mm純度：99.99％)分別置入樣品臺和濺射位，調整靶基距為6～8cm，然后抽真空至1
×
10-4
～2
×
10-4
pa并加熱襯底至溫度為550～650℃，再通入壓強為1.0～1.5pa、氬氣與氧氣的流速比為40:0～40:15sccm的混合氣，調整濺射功率為100～140w，濺射時間為40～80min；
9.(2)保持濺射溫度，關閉氬氣只充入氧氣，在濺射室內50pa～150pa純氧氣氛下原位退火5～15min；
10.(3)將經過濺射及原位退火處理所得薄膜降至室溫后從濺射室中取出，放入高溫管式爐，在(0.1
±
0.01)mpa純氧氣氛中以(10
±
1)℃/min的升溫速率升溫至650℃～800℃，保溫5～15min后隨爐降溫，得到bzt35鐵電薄膜。
11.(4)采用熱蒸鍍設備制備直徑200nm的au頂電極，得到金屬-絕緣體-金屬型電容器，利用鐵電測試儀測試電容器的耐壓性能和鐵電性能。
12.本發明的優點和有益效果：
13.本發明使用磁控濺射法以及高溫管式爐退火制備了一種高儲能密度的無鉛型鐵電薄膜ba(zr
0.35
ti
0.65
)o3，通過調整高溫管式爐退火溫度，使其獲得最優儲能密度。該鐵電薄膜在室溫下具有良好的介電、鐵電和耐壓性能，以及良好的頻率穩定性，在高溫管式爐中退火溫度為750℃的退火工藝下制得的薄膜在3.67mv/cm的場強下獲得最大的儲能密度為55.99j/cm3，儲能效率為92.12％。
附圖說明
14.圖1為本發明方法中制備的bzt35鐵電薄膜的鐵電電容器的結構示意圖。
15.圖2為本發明方法中實施例所得bzt35鐵電薄膜的xrd圖譜。
16.圖3為本發明方法中實施例所得bzt35鐵電薄膜的電滯回線圖。
具體實施方式
17.本發明以bzt35陶瓷靶材為原料，采用磁控濺射以及高溫管式爐退火的方法制備鐵電薄膜。下面通過最優實施例進一步描述本發明的技術方案。應理解，該實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。
18.實施例：
19.1.將pt(111)/ti/sio2/si襯底和bzt35陶瓷靶材(規格：φ60*3mm純度：99.99％)分別置入樣品臺和濺射位，調整靶基距為7cm，對濺射室抽真空至2
×
10-4
pa；
20.2.加熱襯底至襯底溫度為600℃；
21.3.向濺射室內充入氬氣與氧氣的混合氣使濺射室內壓強為1.2pa，調節氬氣與氧氣流速比為40:10sccm；
22.4.調節射頻功率源功率為120w起輝濺射，濺射60min后關閉射頻功率源；
23.5.關閉氬氣只充入氧氣至濺射室內壓強為100pa，保持濺射溫度10min；
24.6.自然降至室溫后，將所得薄膜放入高溫管式爐并向管中充入氧氣，使得薄膜處于(0.1
±
0.01)mpa的純氧氣氛中；
25.7.待管內壓強穩定后以(10
±
1)℃/min的升溫速率升溫至750℃，保溫10min后，隨
爐降至室溫，得到bzt35鐵電薄膜，薄膜樣品的xrd圖譜如圖2所示。
26.8.采用熱蒸鍍設備制備直徑200nm的au頂電極，得到金屬-絕緣體-金屬型電容器，如圖1所示，利用鐵電測試儀測試電容器的耐壓性能和鐵電性能，其電滯回線如圖3所示。由表1可知該實施例制得的薄膜性能最好，擊穿場強為3.67mv/cm，儲能密度為55.99j/cm3，儲能效率為92.12％。這是由于在純氧氣氛中退火使得薄膜氧空位濃度降低，適當的退火溫度使得薄膜結晶性達到最好且減少了薄膜缺陷，使得該工藝下制得的薄膜具有最好的儲能性能。
27.表1、本發明方法的相關工藝參數及其電學性能
28.
