一种高储能密度高击穿强度的氧化物增强无机电介质非晶复合薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高储能密度高击穿强度的氧化物增强无机电介质非晶复合薄膜及其制备方法。该非晶复合薄膜以非晶态BaTiO3薄膜作为基质，以金属氧化物或非金属氧化物作为增强剂，其化学组成表达式为(1

【技术实现步骤摘要】
一种高储能密度高击穿强度的氧化物增强无机电介质非晶复合薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于电介质陶瓷薄膜储能材料
，具体涉及一种高储能密度高击穿强度的氧化物增强无机电介质非晶复合薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]电介质电容器由于其具有功率密度高、使用寿命长等特点，被广泛应用于先进脉冲功率系统、混合动力汽车等领域。目前，被广泛研究的电介质陶瓷材料可分为薄膜(厚度<1mm)和块体(厚度>100mm)。大体积的电介质陶瓷材料其击穿强度很低，无法获得大能量存储密度，无法满足先进电子设备小型化和集成化的要求。一般来讲，评价电介质电容器储能能力的主要因素有储能密度、储能效率、和稳定性等。而影响储能密度和储能效率的因素主要是最大极化(P
max
)、击穿强度(BDS)和剩余极化(P
r
)。薄膜由于缺陷浓度低，通常显现出较高的击穿强度和较高的极化。因此，进一步研发具有高储能密度高击穿强度的陶瓷薄膜电介质是当前的发展趋势。
[0003]钛酸钡(BaTiO3)由于具有较高的P
max
被广泛应用于储能电容器领域，但较低的击穿强度和较高的P
r
限制了其在储能方面的应用。近年来，为了提高BT基薄膜材料的储能密度，研究者们提出了弛豫铁电体，使得BT基材料在保留较大的极化的前提下剩余极化大大的降低。然而，研究人员常专注于获得较大的ΔP，较低的E
b
限制了它们预期的应用。研究者们，通过将BT与BiMeO3(Me为Mg、Zn、Zr等)复合，通过Bi的低熔点和控制制备工艺获得具有非晶结构的薄膜材料，这种方法虽然可以提高材料的击穿强度，但是同时也会降低材料的极化，不利于实现高的储能密度。为了使得BT基材料获得更高的储能密度，目前采用的方案大都需要复杂的材料体系和制备工艺才能实现，这不利于绿色制备的理念和材料的大范围应用。因此，如何通过简单方法实现BT基材料高的储能密度，是当务之急。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种高储能密度高击穿强度的氧化物增强无机电介质非晶复合薄膜及其制备方法，该薄膜具有高储能密度，高击穿强度，良好温度稳定性和优异的介电性能，制备方法简单，热处理温度低，时间短，原料廉价易得，具有广泛的工业应用前景。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]提供一种高储能密度高击穿强度的氧化物增强无机电介质非晶复合薄膜，该非晶复合薄膜以非晶态BaTiO3薄膜作为基质，以金属氧化物或非金属氧化物作为增强剂，其化学组成表达式为(1
‑
x)BaTiO3‑
xMeO，x＝0.01
‑
0.2，其中MeO为金属氧化物或非金属氧化物；所述金属氧化物中金属为过渡金属或Al；所述非金属氧化物中非金属为B或Si。
[0007]按上述方案，x＝0.01
‑
0.1。
[0008]按上述方案，所述过渡金属为Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn。
[0009]按上述方案，所述非晶复合薄膜的放电储能密度为60
‑
150J cm
‑3，击穿强度为6
‑
10MV cm
‑1，储能效率保持在80％以上。
[0010]按上述方案，所述非晶复合薄膜厚度为100
‑
200nm。
[0011]提供一种上述高储能密度高击穿强度的氧化物增强无机电介质非晶复合薄膜的制备方法，通过溶胶
‑
凝胶旋涂法制备，包括以下步骤：
[0012]1)按照化学组成表达式(1
‑
x)BaTiO3‑
xMeO中金属元素的化学计量比进行配料，配置包含乙酸钡、金属氧化物或非金属氧化物前驱体醇盐、钛酸四丁酯的前驱体溶液；
[0013]2)将步骤1)所得前驱体溶液在空气中静置，经过充分水解与缩聚过程形成清澈稳定的溶胶；
[0014]3)将步骤2)中得到的溶胶采用溶胶
‑
凝胶旋涂法在基板上制备薄膜，并进行热解，得到干凝胶膜；
[0015]4)步骤3)重复4
‑
8次，将得到的干凝胶膜退火后即得高储能密度高击穿强度的氧化物增强无机电介质非晶复合薄膜。
[0016]按上述方案，所述步骤1)中，前驱体溶液浓度为0.05
‑
0.3mol L
‑1。
[0017]按上述方案，所述前驱体溶液的配置步骤为：将乙酸钡和金属氧化物或非金属氧化物前驱体醇盐溶于乙酸中，得混合液A，将钛酸四丁酯溶于乙二醇甲醚中并加入乙酰丙酮抑制水解，得混合液B；将混合液A和混合液B混合，水浴搅拌得前驱体溶液。
[0018]优选地，乙二醇甲醚、乙酸和乙酰丙酮体积比为60
‑
70:20
‑
30:1
‑
4。
[0019]优选地，水浴搅拌条件为：40
‑
70℃水浴下搅拌12
‑
48h。
[0020]按上述方案，所述步骤2)中，在空气中静置12
‑
48h。
[0021]按上述方案，所述步骤3)中，溶胶
‑
凝胶旋涂法工艺为：在转速600
‑
1000rmp下旋涂10
‑
30s进行一级匀胶后，再在3000
‑
5000rmp下旋涂30
‑
90s进行二级匀胶；热解条件为：在200
‑
500℃温度区间内按照温度从低到高分三次进行热解，相邻两次温差为100
‑
150℃，每次热解时间为4
‑
6分钟。
[0022]按上述方案，所述步骤3)中，基板为Pt/Ti/SiO2/Si基板。
[0023]按上述方案，所述步骤4)中，退火温度为450
‑
600℃，退火时间为90
‑
120s。
[0024]本专利技术的工作机理为：
[0025]本专利技术以非晶态的薄膜作为基体，通过非晶的无序状态使得薄膜实现高的击穿强度。同时引入氧化物作为增强剂，一方面由于氧化物本身的高击穿强度可以进一步提高薄膜的击穿强度；另一方面，氧化物的阳离子可能会与基体的BaTiO3形成固溶体，这些固溶体可以与氧空位形成缺陷偶极子，这些缺陷偶极子可能会束缚在非晶态的网格中，在外加电场下提高薄膜的极化，从而实现高的储能密度。这种通过氧化物与非晶结构协同作用，可以在实现高的击穿强度的前提下，提高材料的极化，从而实现高的储能密度。此外，由于非晶结构和氧化物本身的性质，材料更趋近于线性电介质，使得薄膜可以在很大的温度范围内保持介电和储能稳定性。
[0026]本专利技术的有益效果如下：
[0027]1.本专利技术提供了一种氧化物增强无机电介质非晶复合薄膜，通过将高绝缘过渡金属(或Al)氧化物或非金本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高储能密度高击穿强度的氧化物增强无机电介质非晶复合薄膜，其特征在于，所述非晶复合薄膜以非晶态BaTiO3薄膜作为基质，以金属氧化物或非金属氧化物作为增强剂，其化学组成表达式为(1
‑
x)BaTiO3‑
xMeO，x＝0.01
‑
0.2，其中MeO为金属氧化物或非金属氧化物；所述金属氧化物中金属为过渡金属或Al；所述非金属氧化物中非金属为B或Si。2.根据权利要求1所述的非晶复合薄膜，其特征在于，所述过渡金属为Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn。3.根据权利要求1所述的非晶复合薄膜，其特征在于，所述非晶复合薄膜的放电储能密度为60
‑
150J cm
‑3，击穿强度为6
‑
10MV cm
‑1，储能效率保持在80％以上。4.根据权利要求1所述的非晶复合薄膜，其特征在于，所述非晶复合薄膜厚度为100
‑
200nm。5.一种权利要求1
‑
4任一项所述的高储能密度高击穿强度的氧化物增强无机电介质非晶复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)按照化学组成表达式(1
‑
x)BaTiO3‑
xMeO中金属元素的化学计量比进行配料，配置包含乙酸钡、金属氧化物或非金属氧化物前驱体醇盐、钛酸四丁酯的前驱体溶液；2)将步骤1)所得前驱体溶液在空气中静置，经过充分水解与缩聚过程形成清澈稳定的溶胶；3)将步骤2)所得溶胶采用溶胶
‑
凝胶旋涂法在基板上制备薄膜，并进行热解，得到干凝胶膜；4)步骤3)重复4
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹明贺，王鸿业，黄瑞，郝华，尧中华，刘韩星，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：