[发明专利]高储能密度的钛酸铋钠基电介质薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及高储能密度的钛酸铋钠基电介质薄膜及其制备方法和应用，组成为Bi_0.5(Na_0.8K_0.2)_0.5TiO₃‑xSrZrO₃，其制备方法为溶胶凝胶法，按照化学计量比配置前驱体溶液，随后滴至洗净的Pt/Ti/SiO₂/Si基片上旋转涂覆，依次经过150℃‑350℃‑700℃热处理，重复上述旋转镀膜以及热处理工艺，直至膜厚达到500～600nm，并且还可以在薄膜上使用溅射工艺制备金属上电极。与现有技术相比，本发明制备的高储能密度薄膜电容器具有优异的储能性能，其储能密度为25J/cm³，储能效率为79.16％，温度稳定性良好。

技术领域

本发明属于电子功能材料和器件领域，尤其是涉及一种高储能密度的钛酸铋钠基电介质薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

电介质电容器作为主要的无源储能器件，具有快读的充放电速率以及超高的功率密度，也因此被广泛应用于电子电路中，可以实现隔直通交、藕合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换等功能。然而目前其发展遇到了瓶颈，其储能密度以及储能效率维持在较低的水平，另外目前电介质电容器的温度稳定性较差。目前商业化的电介质储能密度仅约为2J/cm³，较之电化学电容器或电池，其储能密度差了一至两个数量级。

反铁电薄膜电容器具有较高的介电常数和耐击穿场强，被认为是最优希望获得高储能密度的电介质体系，同时其体积小，重量轻，易于集成，被众多科研工作者所研究，而且目前已经商业化的电介质电容器基本都是以铅基材料制备，如Pb(Zr,Ti)O₃,Pb(Zr,Sn,Ti)O₃和(Pb,La)TiO₃，但是铅是一种有毒元素，在铅基材料的制备过程中，铅的挥发会造成环境的严重污染，同时会危害人体健康，世界各国对无铅压电材料的研究十分重视。例如，欧盟于2003年通过RoHS法令、日本通过“家用电子产品回收法案”、我国也于2006年出台《电子信息产品生产污染防治管理办法》。因此，开发环境友好型的无铅材料来取代铅基材料是关系到可持续发展战略的一件大事。

另一类材料为有机高分子材料，如PVDF，其具有极高的耐击穿场强，因而具有较高的储能密度，但是其耐高温性能较差，这在很大程度上限制了有机高分子材料的应用，尤其是航空航天等对温度要求高的领域。

因此，世界各国的科技工作者正在抓紧研究具有大介电常数、高耐击穿场强，高储能密度和良好的温度稳定性的少铅或者无铅薄膜电介质材料。其中，钛酸铋钠具有较高的铁电性能(P_r＝38μC/cm²)和居里温度(～320℃)，然而纯的钛酸铋钠薄膜具有较高的矫顽场强和极大的漏电流，这使得纯的钛酸铋钠薄膜很难得到高的储能密度，为了提高其性能，各国研究者们通过研究发现，通过引入第二相或者第三相形成二元或者三元体系，能在很大程度上降低其矫顽场强，提高其实用性。(Y.Li,W.Chen,J.Zhou,Q.Xu,H.Sun and R.Xu,Dielectric and piezoelecrtic properties of lead-free(Na_0.5Bi_0.5)TiO₃–NaNbO₃ceramics,Mater.Sci.Eng:B 112(2004)5-9.)然而目前鲜有人报道具有高储能密度，高储能效率以及良好的温度稳定性的电介质薄膜材料。