電介質(zhì)儲(chǔ)能電容器憑借高功率密度、超快充放電速度和長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于脈沖激光器、新能源汽車(chē)等高功率電子設(shè)備。然而，如何在維持高儲(chǔ)能密度與效率的同時(shí)，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(guò)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(chǔ)能性能。但這類(lèi)方法的工藝通常較為復(fù)雜，制約了高性能電介質(zhì)儲(chǔ)能薄膜的大規(guī)模制備。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心胡衛(wèi)進(jìn)研究員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出利用超快結(jié)晶過(guò)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(duì)據(jù)此成功開(kāi)發(fā)出升降溫速率達(dá)每秒1000 oC 的“閃速退火”工藝，并憑借它，僅用1秒就完成了鋯酸鉛 (PbZrO 3 ) 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(chǔ)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(jí)弛豫反鐵電薄膜以提升儲(chǔ)能性能 (Flash annealing-engineered wafer-scale relaxor antiferroelectrics for enhanced energy storage performance) ”為題發(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(guò)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(chǎng)，最終將儲(chǔ)能密度提升至63.5 J/cm 3 (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 oC 的液氮環(huán)境 , 到高達(dá) 400 oC 的高溫循環(huán)后，其儲(chǔ)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(cè)、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(chǔ)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(jí)集成儲(chǔ)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(kāi)展了計(jì)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(cè)試方面提供了重要支持。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作計(jì)劃、遼寧省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)等項(xiàng)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(shí)現(xiàn)過(guò)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(chǔ)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(jí)制備

本文來(lái)自“中國(guó)科學(xué)院金屬研究所”。