一种氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氧化镍‑锆酸铅反铁电复合薄膜及其制备方法，所述氧化镍‑锆酸铅反铁电复合薄膜材料包括锆酸铅薄膜和氧化镍，所述氧化镍呈纳米柱结构且分布在所述锆酸铅中，所述氧化镍的体积为所述复合薄膜材料的1~20%；所述氧化镍‑锆酸铅反铁电复合薄膜材料是采用脉冲激光沉积法制得的。本发明专利技术复合薄膜材料的制备工艺简单，氧化镍纳米柱的直径、分布、厚度精确可控，所得氧化镍‑锆酸铅反铁电复合薄膜兼具良好的储能密度、铁电性能和介电性能，有效提高了复合薄膜材料的综合性能，且生产成本低，应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜及其制备方法
本专利技术涉及一种反铁电薄膜材料，具体地说是涉及一种氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着全球数据需求量逐年增加，储能材料与器件成为功能材料领域的研究热点。具有高储能密度和高可靠性的电介质储能材料在高能脉冲功率技术等领域有着不可替代的应用。目前，商用的电能储存和能量输运设备主要包括燃料电池、普通电池、电化学电容器和电介质电容器等。传统的燃料电池虽然能量密度较高，但是由于其内部载流子运动缓慢，导致其功率密度很低，从而限制了燃料电池在高功率器件中的应用。电介质电容器虽然具有相当高的功率密度，在诸多领域有着重要应用，但是其能量存储密度相较传统储能设备小得多，因此如何提高能量密度是其在储能设备应用中亟待解决的关键问题之一。近些年的研究发现，一些具有双电滞回线特征的反铁电材料作为电介质在保持高功率密度的同时，还可以有效提高电介质材料的储能密度，为反铁电体的应用开辟了广阔的前景：一方面，利用反铁电一铁电相变时的极化强度与电场强度的非线性关系，可制作贮能电容器和电压调节元件；另一方面，利用反铁电一铁电相变的体积效应作换能器等，在红外探测、参量放大、高压发生等方面亦有应用的可能性。反铁电材料在一定温度范围内相邻离子联线上的偶极子呈反平行排列，宏观上自发极化强度为零，无电滞回线的材料。它们是一种反极性晶体，由顺电相向反铁电相转变时，高温相的两个相邻晶胞产生反平行的电偶极子而成为子晶格，两者构成一个体积增大一倍新的晶胞，并且，其自由能与该晶体的铁电态自由能很接近，在外加电场和热应力诱导下，反铁电相将向铁电相转变，从而可观察到双电滞回线。其应用原理如下：反铁电陶瓷在足够大的电场强度作用下，能以稳态的反铁电相转变为暂稳态的铁电相，这是一个储存电能的过程；当电场强度减少或取消电场时，暂稳态的铁电相又变成稳定态的反铁电相，这是一个释放电能的过程。利用储存电能和释放电能的这一过程来制备高压大功率储能电容器，也可以利用这一过程来制作非线性元件。同时，反铁电相和铁电相的转变过程必然伴随有体积的变化，或者说，相变时将引起元件线性尺寸的变化，这一过程又可促成电能和机械能之间的转换，利用这种能量间的转换就可制作反铁电换能器。利用反铁电薄膜制成的高压、高功率储能电容器具有体积小，重量轻和储能密度高等优点，使其在现代高新技术中起着越来越重要的作用而成为国内外研究的热点。典型的反铁电体材料包括锆酸铅(PbZrO3)、硝酸铷(RbNO3)、磷酸二氢铵(NH4H2PO4)、硫酸铵(NH4)2SO4)、硫酸氢铵(NH4HSO4)、铌酸钠(NaNbO3)、铪酸铅(PbHfO3)、碘酸铵(NH4IO3)、三氧化钨(WO3)及氘代盐等，其中具有钙钛矿型结构的锆酸铅基反铁电材料是一类应用广泛、研究较多、最有发展潜力的反铁电储能介质材料。然而，现今的研究成果表明，纯锆酸铅反铁电薄膜的铁电极化较小且储能密度较低，不能满足实际应用的要求。因此，如何进一步提高锆酸铅反铁电薄膜的能量存储密度是实现其在电容器或换能器等元电子器件中广泛应用的首要任务。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜材料，以解决现有锆酸铅材料铁电极化较小和储能密度较低的问题。本专利技术的目的之二是提供一种氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜的制备方法，以采用经济有效的方法制备得到铁电和储能性能优异的反铁电复合薄膜材料。本专利技术的目的之一是这样实现的：一种氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜材料，其包括锆酸铅和氧化镍，所述氧化镍呈纳米柱结构且分布在所述锆酸铅薄膜中，所述氧化镍的体积占所述复合薄膜材料的1~20%。所述复合薄膜材料的厚度为130~160nm。所述复合薄膜材料的铁电极化强度为36μC/cm2~91μC/cm2。所述复合薄膜材料的储能强度为7.5J/cm3~25J/cm3。所述复合薄膜材料的介电常数为275~1175。本专利技术的目的之二是这样实现的：一种氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜材料的制备方法，其包括如下步骤：（a）准备氧化镍靶材和锆酸铅靶材，将所述氧化镍靶材和所述锆酸铅靶材分别安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用；（b）对Nb:SrTiO3基板进行清洗、预处理，使其表面形貌为TiO2台阶，干燥，将其放置于脉冲激光沉积设备的沉积室中；（c）采用脉冲激光沉积法用激光先轰击所述锆酸铅靶材1~7秒，在所述基板上沉积锆酸铅薄膜，然后用激光轰击所述氧化镍靶材10~20秒，在所述锆酸铅薄膜上沉积氧化镍；（d）重复步骤（c）30~60次，即可得到氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜。步骤（a）中，所述氧化镍靶材和锆酸铅靶材可市购，也可采用固态粉末烧结法制备得到。采用固态粉末烧结法制备氧化镍靶材的方法为：将氧化镍粉体压制成型，然后在800°C烧结30h，即可得到纯相的氧化镍靶材。采用固态粉末烧结法制备锆酸铅靶材的方法为：将氧化铅和氧化锆粉体按照摩尔比Pb∶Zr=1∶1混合，压制成型后，在1350°C下埋烧30小时，即可得到纯相的锆酸铅靶材。步骤（b）中，对Nb:SrTiO3基板进行预处理的方法为：分别将基片在丙酮和酒精溶液中超声波清洗各20min，并将氮气吹干后的Nb:SrTiO3基板放入氢氟酸稀释的pH值为4的氟化氨水溶液中浸泡30秒，取出放入管式退火炉中煅烧120min，得到表面形貌为TiO2台阶的基板。优选地，所述TiO2台阶的宽度为100~200nm。步骤（b）中，将表面形貌为TiO2台阶的基板放置于脉冲激光沉积设备的沉积室中，升温至750°C，保温30min，进行退火处理。步骤（c）中，采用脉冲激光沉积法进行沉积时，激光能量为1.5J/cm2，靶材与基板之间的距离为4cm；沉积温度为650℃，氧分压为0.1Torr。步骤（c）中，用激光轰击氧化镍靶材的时间优选为10~15秒，优选10秒、15秒或20秒，更优选10秒。步骤（d）中，优选地，将所制备得到的氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜在一个大气压下，原位退火30min，然后以2°C/min的速率冷却至室温。本专利技术采用脉冲激光沉积法制得氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜，其中氧化镍呈纳米柱状结构，均匀分布在锆酸铅薄膜中，且氧化镍纳米柱的直径、分布、厚度精确可控，所得氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜兼具良好的储能密度、铁电性能和介电性能，有效提高了复合薄膜材料的综合性能，复合薄膜的最高储能密度和最大饱和极化强度可达25J/cm3和90μC/cm2，相较锆酸铅薄膜，其储能密度和饱和极化强度提升了3倍。本专利技术复合薄膜材料制备工艺简单，方法经济有效，生产成本低，所得反铁电复合薄膜材料可用于制作脉冲高功率储能电容器、超级电容器、线性电容器、电流源、微机电设备及其相开关等领域，对其工业化和实用化具有重要意义，应用前景广阔。附图说明图1是氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜材料的结构示意图。图2是实施例1~5所制备的氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜材料的原子力显微镜图。图3是实施例1、3、5、7所制备的氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜材料和对比例2所制备锆酸铅薄膜材料的X射线衍射图，其中P-1、P-2、P-3、P-4、P-5、P-6和P-7分别表示氧化镍的体积百分比为1%、3%、5%、10%、13%、15%、20本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化镍‑锆酸铅反铁电复合薄膜材料，其包括锆酸铅薄膜和氧化镍，所述氧化镍呈纳米柱结构且分布在所述锆酸铅薄膜中，所述氧化镍的体积占所述复合薄膜材料的1~20%。

【技术特征摘要】
1.一种氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜材料，其包括锆酸铅薄膜和氧化镍，所述氧化镍呈纳米柱结构且分布在所述锆酸铅薄膜中，所述氧化镍的体积占所述复合薄膜材料的1~20%。2.根据权利要求1所述的氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜材料，其特征在于，所述复合薄膜材料的厚度为130~160nm。3.一种权利要求1所述的氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（a）准备氧化镍靶材和锆酸铅靶材，将所述氧化镍靶材和所述锆酸铅靶材分别安放在脉冲激光沉积设备的沉积室中，备用；（b）对Nb:SrTiO3基板进行清洗、预处理，使其表面形貌为TiO2台阶，干燥，将其放置于脉冲激光沉积设备的沉积室中；（c）采用脉冲激光沉积法用激光先轰击所述锆酸铅靶材1~7秒，在所述基板上沉积锆酸铅薄膜，然后用激光轰击所述氧化镍靶材10~20秒，在所述锆酸铅薄膜上沉积氧化镍；（d）重复步骤（c）30~60次，即可得到氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜。4.根据权利要求3所述的氧化镍-锆酸铅反铁电复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁兴坤，陈明敬，孟庆刚，王淑芳，李晓苇，杨昆，傅广生，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：河北,13