閃速退火新策略實現(xiàn)晶圓級弛豫反鐵電儲能薄膜電容器

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】電介質(zhì)儲能電容器憑借高功率密度、超快充放電速度和長循環(huán)壽命等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于脈沖激光器、新能源汽車等高功率電子設(shè)備。然而，如何在維持高儲能密度與效率的同時，進(jìn)一步提升其溫度穩(wěn)定性，仍然是當(dāng)前面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。目前，主流策略是通過多相復(fù)合、化學(xué)摻雜或缺陷工程等方法引入納米疇結(jié)構(gòu)，旨在誘導(dǎo)弛豫鐵電或弛豫反鐵電特性以優(yōu)化儲能性能。但這類方法的工藝通常較為復(fù)雜，制約了高性能電介質(zhì)儲能薄膜的大規(guī)模制備。
 

　　針對上述挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心胡衛(wèi)進(jìn)研究員團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出利用超快結(jié)晶過程 “鎖定” 高溫納米鐵電/反鐵電疇，以制備高性能弛豫鐵電或反鐵電薄膜的新思路。研究團(tuán)隊據(jù)此成功開發(fā)出升降溫速率達(dá)每秒1000 ℃的“閃速退火”工藝，并憑借它，僅用1秒就完成了鋯酸鉛 (PbZrO3) 弛豫反鐵電薄膜的結(jié)晶 (圖1)。相關(guān)薄膜電容器展現(xiàn)出了良好的儲能性能和出色的熱穩(wěn)定性。該成果以“閃速退火構(gòu)筑晶圓級弛豫反鐵電薄膜以提升儲能性能 (Flash annealing-engineered wafer-scale relaxor antiferroelectrics for enhanced energy storage performance) ”為題, 于2025年11月15日發(fā)表在 《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)雜志上。
 

　　研究結(jié)果表明，閃速退火工藝成功地將材料高溫順電相結(jié)構(gòu)凍結(jié)至室溫，形成了尺寸小于3納米的短程有序納米疇 (圖2)，從而誘導(dǎo)出關(guān)鍵的弛豫反鐵電行為。此外，該工藝使薄膜晶粒排列更加致密，增加了有益的小角晶界數(shù)量，并有效抑制了制備過程中鉛元素的揮發(fā)，很大程度上消除了鉛空位等有害缺陷 (圖3)。上述因素的協(xié)同作用，顯著降低了薄膜電容器的漏電流，并同步提高了其極化強(qiáng)度與擊穿電場，最終將儲能密度提升至63.5 J/cm3 (圖4)。尤為突出的是，利用該工藝制備的薄膜電容器表現(xiàn)出卓越的溫度穩(wěn)定性。經(jīng)低至零下196  ℃的液氮環(huán)境, 到高達(dá)400 ℃的高溫循環(huán)后，其儲能密度與效率的衰減均低于3%。這一特性確保了器件可應(yīng)用于深空探測、地下油氣勘探等極端溫度環(huán)境。該技術(shù)兼具普適性與可擴(kuò)展性。它同樣適用于經(jīng)典的鋯鈦酸鉛 (PZT) 鐵電材料，能將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌谠ヨF電體從而提升儲能性能五倍；更可在2英寸硅晶圓上制備出均勻的弛豫反鐵電薄膜，為芯片級集成儲能提供了具備工業(yè)化潛力的解決方案(圖5)。
 

　　本工作第一作者為金屬所李異卓副研究員、山東大學(xué)宋克鵬研究員和金屬所博士研究生朱美雄，通訊作者為金屬所胡衛(wèi)進(jìn)研究員。金屬所王宇佳研究員開展了計算模擬工作，金屬所李昺研究員、西安交通大學(xué)王志宏教授在材料表征和器件性能測試方面提供了重要支持。
 

　　該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院國際合作計劃、遼寧省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項、中國科學(xué)院青促會等項目的資助, 也得到了上海同步輻射光源的大力支持。

圖1. 超快結(jié)晶制備弛豫反鐵電薄膜的原理與實現(xiàn)過程
 

圖2. 不同工藝制備的正常反鐵電和弛豫反鐵電薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和疇結(jié)構(gòu)
 

圖3. 反鐵電和弛豫反鐵電薄膜的表面形貌、微結(jié)構(gòu)和成分
 

圖4. 不同工藝制備的反鐵電和弛豫反鐵電薄膜電容的儲能性能
 

圖5. 弛豫反鐵電薄膜電容器的熱循環(huán)穩(wěn)定性與晶圓級制備