[发明专利]一种掺钐的铁酸铋-钛酸钡陶瓷薄膜及其制备方法和应用

说明书

一种掺钐的铁酸铋‑钛酸钡陶瓷薄膜及其制备方法和应用，属于介电材料技术领域。该薄膜的化学通式为x(Bi_1‑ySm_y)FeO₃‑(1‑x)(Ba_1‑ySm_y)TiO₃，其中，x、y为摩尔分数，且0x1,0y1。其制备方法是将Bi₂O₃、Fe₂O₃、BaCO₃、TiO₂和Sm₂O₃按选定的化学计量比混合得到原料粉体，之后预烧，得到陶瓷坯体，然后埋烧，得到陶瓷靶材，最后利用脉冲激光轰击靶材并退火处理，即可得到所述陶瓷薄膜。实验证明，该薄膜的击穿场强可达4～5.3MV/cm，储能密度可达152J/cm³，储能效率约78％；是一种具有高击穿场强和高储能密度且环境友好的新型介电材料。

技术领域

本发明涉及一种铁酸铋-钛酸钡陶瓷薄膜及其制备方法和应用，特别涉及一种掺钐的铁酸铋-钛酸钡陶瓷薄膜及其制备方法和应用，属于介电材料技术领域。

背景技术

具有超快的充放电速度、超高功率密度、工作寿命长和耐高压等特点的静电电容器是一类重要的储能器件，被广泛应用于脉冲功率技术、电气系统等领域。然而一般的静电电容器的能量密度较低，开发高储能密度的电介质材料是该领域需要解决的重点问题之一。

无机材料具有高介电常数，强自发极化，是一类很有潜力的电介质材料。其中，薄膜又具有高的击穿场强，其性能非常优异。但目前研究和应用较多的为铅基材料，如铌镁酸铅-钛酸铅(0.68Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.32PbTiO₃)(Science 369,81–84(2020),最高储能密度为133J/cm³)。但含铅材料对生态环境和人体健康均有严重危害，需要严格的回收处理和密封保护。因而有必要寻找高储能密度的无铅材料。铁酸铋-钛酸钡的固溶体材料具有高的自发极化，是一类有潜力的无铅介电材料，目前已应用于压电领域(一种掺杂型铁酸铋-钛酸钡无铅压电陶瓷材料的制备方法，申请公布号CN 111320468 A)。但较高的剩余极化和漏电流强度限制了该体系在储能领域的应用，目前实现的最高储能密度仅为80J/cm³，击穿仅3.1MV/cm(Nano Energy 71,104536(2020))。

发明内容

本发明的目的是提出一种掺钐的铁酸铋-钛酸钡陶瓷薄膜及其制备方法和应用，旨在通过钐等比例掺杂铁酸铋和钛酸钡，同时降低该固溶体体系的剩余极化和漏电流，获得一种同时具有较强极化，高击穿和高储能密度等优异性能且环境友好的无铅储能介质材料。

本发明的技术方案如下：

一种掺钐的铁酸铋-钛酸钡陶瓷薄膜，其特征在于，所述固溶体介电薄膜的化学成分通式为x(Bi_1-ySm_y)FeO₃-(1-x)(Ba_1-ySm_y)TiO₃，其中，x、y为摩尔分数，且0x1,0y1。

优选地，所述陶瓷薄膜的化学成分通式中，其中，0.2x0.4，0.25y0.5。

优选地，所述陶瓷薄膜的厚度为50nm-10μm。

本发明提供的一种掺钐的铁酸铋-钛酸钡陶瓷薄膜的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：