一种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料及其制备方法技术

一种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料及其制备方法，属于介电材料技术领域。该介电薄膜材料的化学成分通式为(1‑x‑y)BiFeO3‑xBaTiO3‑ySrTiO3，其中，x、y为摩尔分数，且0

【技术实现步骤摘要】
一种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料及其制备方法
本专利技术涉及一种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料及其制备方法，属于介电材料

技术介绍
基于介电材料的电容器作为一种重要的储能器件，具有极快的放电速度、超高的功率密度、耐高压、工作寿命长等特点，因而被广泛应用于电子电路、电气系统、脉冲功率技术等领域。然而一般的介电材料储能密度较低，目前商业化的介电材料(双向拉伸聚丙烯)的储能密度仅约1J/cm3，与锂电池或燃料电池等相比低了一至两个数量级，无法满足先进电子电力系统对集成化、小型化的需求。因此，开发具有高储能密度的电容器用介电材料一直是相关领域的热点和难点。无机陶瓷介电薄膜材料兼具大介电常数、强极化和高击穿场强，是一类有潜力实现高储能密度的介电材料。目前已经在广泛研究和应用的锆钛酸铅(Pb(Ti,Zr)O3)基介电薄膜材料中实现了85J/cm3的高储能密度(参见JournalofMaterialsScience：MaterialsinElectronics杂志，第26卷，第12期，9279-9287页)。但是含铅材料对生态环境和人体健康有严重危害，难以回收处理。因此，寻找具有高储能密度的无铅介电材料成为迫切任务。但是，传统的钛酸钡(BaTiO3)基介电材料的极化远低于含铅介电材料，其储能密度相对较低。如锆掺杂的钛酸钡介电薄膜(BaZr0.2Ti0.8O3)在3.0MV/cm电场下极化仅为31μC/cm2,储能密度为30J/cm3(参见ACSAppliedMaterials&Interfaces杂志，第9卷，第20期，17096－17101页)。因此，开发具有强极化、高击穿、高储能密度的新型无铅介电材料是目前相关领域和产业面临的关键问题。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在提出一种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料及其制备方法，旨在获得一种具有强极化、高击穿和高储能密度等优异性质且环境友好的新型无铅介电材料。本专利技术的技术方案如下：一种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料，其特征在于，所述固溶体介电薄膜材料的化学成分通式为(1-x-y)BiFeO3-xBaTiO3-ySrTiO3，其中，x、y为摩尔分数，且0<x<1,0<y<1,0<x+y<1。本专利技术所述薄膜材料的厚度优选为50nm-10μm。本专利技术提供的一种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)将Bi2O3、Fe2O3、BaCO3、SrCO3和TiO2原料按选定的化学计量比进行混合配料，将所述原料和有机溶剂混合，依次进行球磨、干燥和筛分处理，得到均匀混合的原料粉体；2)将所述原料粉体进行预烧处理，预烧处理的温度为700-900摄氏度，时间为2-4小时；然后与有机溶剂混合进行二次球磨、干燥，将所得原料粉体与粘合剂混合进行造粒、压片、和冷等静压成型处理，得到铁酸铋基三元固溶体陶瓷胚体；3)将所述陶瓷胚体进行埋烧处理，所述埋烧处理的温度为1000-1300摄氏度，时间为0.5-3.0小时；得到铁酸铋基三元固溶体陶瓷靶材；4)将所述铁酸铋基三元固溶体陶瓷靶材进行脉冲激光沉积和退火处理，即得到铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料。在本专利技术的所述方法中，其特征在于，在步骤1)中，Bi2O3原料在化学计量比基础上过量5-20％以弥补制备过程中Bi元素的挥发损失。优选地，在步骤1)和步骤2)中，所述有机溶剂为选自无水乙醇、丙醇、异丙醇和乙二醇中的至少一种。所述球磨处理的时间均为6-12小时；所述原料粉末的粒径为100-500nm。在本专利技术的步骤2)中，优选地，所述造粒的粒径为20-80目；所述压片处理的压力为5-15MPa；所述冷等静压处理的压力为20-50MPa，保压时间为5-20分钟。在本专利技术的步骤4)中，所述脉冲激光沉积处理的参数为：脉冲激光沉积腔体内本底真空度低于5×10-6mbar，沉积时基底温度为600-800摄氏度，腔体氧分压为0.5-20Pa，通氧气流量为1-20sccm，激光能量为0.5-2.5J/cm2。所述退火处理的温度优选为400-600摄氏度、氧分压为200-800mbar，退火处理的时间为15-60分钟。本专利技术的又一个方面，提出了所述的一种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料在介电储能器件中的应用。本专利技术具有以下优点及突出性的技术效果：通过调控x和y的值，上述铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料的击穿场强可达3.0～5.3MV/cm，储能密度可达112J/cm3，并具有80％的高储能效率。实验证明这种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料兼具较大的介电常数、较小的介电损耗、较高的击穿场强和优异的储能性能，是一种有希望应用于嵌入式电容器、静电储能元器件、脉冲功率技术等介电储能领域且环境友好的材料。附图说明图1是根据本专利技术一个实施例的制备铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料的方法流程示意图。图2是实施例1-7铁酸铋基三元固溶体薄膜的结构及测试示意图；图中：1-金电极；2-铁酸铋基三元固溶体薄膜材料；3-导电基底。图3是实施例1所得铁酸铋基三元固溶体薄膜的断面透射电镜图。图4为实施例1-4中制备的铁酸铋基三元固溶体薄膜的介电常数和介电损耗正切角谱图。图5a、5b、5c和5d分别为实施例1-4中制备的铁酸铋基三元固溶体薄膜在不同电场强度下的铁电电滞回线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例详细描述本专利技术，旨在用于解释本专利技术，以使本领域的普通技术人员能够理解和实现本专利技术。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。专利技术人发现，铁酸铋(BiFeO3)为菱方相钙钛矿结构铁电材料，其铁电性是由Bi离子的6s2孤对电子和Bi、Fe离子的位移共同导致的，其理论铁电极化高达100μC/cm2。但实验上制备高质量铁酸铋非常困难，其中存在大量的缺陷和杂相，难以测量其真实的铁电极化值。通常在铁酸铋陶瓷中测得的铁电极化只有几个μC/cm2。钛酸钡(BaTiO3)在室温下为四方相的钙钛矿结构铁电材料，其自发极化约26μC/cm2。钛酸锶(SrTiO3)为立方相钙钛矿结构，具有介电损耗低、热稳定性好、击穿强度高等优点。三者虽然晶相不同，但晶体学参数相差不大，能够形成完全固溶体。本专利技术提出的一种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料，所述介电薄膜化学成分的通式为(1-x-y)BiFeO3-xBaTiO3-ySrTiO3，其中，x、y为摩尔分数，且0<x<1,0<y<1,0<x+y<1。由此，设计(1-x-y)BiFeO3-xBaTiO3-ySrTiO3(x、y为摩尔分数，且0<x<1,0<y<1,0<x+y<1)。通过调控x和y的值，其击穿场强可达3.0～5.3MV/cm，储能密度可达112J/cm3，并具有80％的高储能效率。实验证明这种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料兼具较大的介电常数、较小的介电损耗、较高的击穿场强和优异的储能性能，是一种有希望应用于嵌入式电容器、静电储能元器件、脉冲功率技术等介电储能领域且环境友好的材料。根据本专利技术的一个实施例，铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料的厚度并不受特别限制，本领域技本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料，其特征在于，所述固溶体介电薄膜材料的化学成分通式为(1‑x‑y)BiFeO3‑xBaTiO3‑ySrTiO3，其中，x、y为摩尔分数，且0<x<1,0<y<1,0<x+y<1。

【技术特征摘要】
1.一种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料，其特征在于，所述固溶体介电薄膜材料的化学成分通式为(1-x-y)BiFeO3-xBaTiO3-ySrTiO3，其中，x、y为摩尔分数，且0<x<1,0<y<1,0<x+y<1。2.根据权利要求1所述的一种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料，其特征在于，所述薄膜材料的厚度为50nm-10μm。3.一种如权利要求1或2所述的铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)将Bi2O3、Fe2O3、BaCO3、SrCO3和TiO2原料按选定的化学计量比进行混合配料，将所述原料和有机溶剂混合，依次进行球磨、干燥和筛分处理，得到均匀混合的原料粉体；2)将所述原料粉体进行预烧处理，预烧处理的温度为700-900摄氏度，时间为2-4小时；然后与有机溶剂混合进行二次球磨、干燥，将所得原料粉体与粘合剂混合进行造粒、压片、和冷等静压成型处理，得到铁酸铋基三元固溶体陶瓷胚体；3)将所述陶瓷胚体进行埋烧处理，所述埋烧处理的温度为1000-1300摄氏度，时间为0.5-3.0小时；得到铁酸铋基三元固溶体陶瓷靶材；4)将所述铁酸铋基三元固溶体陶瓷靶材进行脉冲激光沉积和退火处理，即得到铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料。4.根据权利要求3所述的一种铁酸铋基三元固溶体介电薄膜材料的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，Bi2O3原料在化学计量比基础...

【专利技术属性】
技术研发人员：林元华，潘豪，沈洋，南策文，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11