反铁电电容器制造技术

本发明专利技术提出反铁电电容器。所提出的结构能使反铁电晶体产生压缩内压而能降低其迟滞行为，从而使反铁电具有高储能密度(Energy Storage Density,ESD)和低能量损失。所提供的反铁电电容器具有纪录新高的ESD(94J/cm3)和80％的高效率，以及高达5

【技术实现步骤摘要】
反铁电电容器


[0001]本专利技术是关于一种具有超高储能密度及厚度可扩增展性的反铁电电容器。

技术介绍

[0002]近年来，随着全世界的能源消耗不断增加及可再生能源资源快速发展，使得对高效、可靠的储能系统的需求大幅增长
[1]。在各种储能科技中，与锂电池和电化学电容器相比，固态介质电容器具有高充电/放电率和高功率密度的优点
[2]。因此，固态介电电容器特别适用于大功率和脉冲功率的电子设备，包括混合动力电动汽车、医疗设备、航空电子设备、军用武器等
[3
‑
5]。在各种介电质材料中，反铁电(antiferroelectric,AFE)材料能够在施加以及去除外部电场时进行反极性反铁电相(anti
‑
polar AFE phase)和极性铁电相(polar ferroelectric phase)之间的可逆相变。因此与一般的线性介电材料相比，反铁电材料在充电时能够储存较多的能量；而与铁电(Ferroelectric,FE)材料相比，其充放电能有较小的能量损失
[6]。因此，AFE材料非常适合用于储能电容器。
[0003]传统钙钛矿结构的AFE氧化物，例如锆酸铅(lead zirconate，PZ)类的材料，被广泛认为是静电储能的候选材料
[6,7]。然而，它们的崩溃电场低、可靠性差，并有铅污染的问题
[8]。近年来，在HfO2/ZrO2类薄膜也被发现具有类AFE的特性，
[9
‑
11]其特性源自于施加外部电场时从非极性四方(t
‑
)相(空间群：P42/nmc)到FE正交晶系(空间群：Pca21)结晶结构的相变。HfO2/ZrO2类薄膜能够达到与传统钙钛矿材料相当甚至更高的储能密度ESD
[2]。此外，HfO2/ZrO2类薄膜对环境不会造成污染，与先进半导体技术的制程高度相容。因此，AFE HfO2/ZrO2类的薄膜被认为是在储能应用中取代传统钙钛矿AFE材料的潜力候选材料。此外，由于HfO2/ZrO2类的AFE薄膜的厚度可减薄至约10nm，因此它们特别适用于微型能量自主系统和嵌入式便携式/可穿戴电子设备中的储能纳米电容器
[12]。
[0004]储能密度(energy storage density，ESD)和储能效率(energy storage efficiency)是储能电容器最重要的性能指标之一。然而，ESD和效率之间通常无法两者兼顾而有一些取舍。迄今为止文献中报导的AFEHfO2/ZrO2类薄膜具有的最大ESD为60J/cm3，但其效率只有普通的60％
[13]；反之，具有最高效率93％的薄膜，其储能密度仅有22J/cm
3[14]。因此，AFE HfO2/ZrO2类薄膜的储能密度和效率仍有改善的空间。此外，进一步增加固态介电电容器的储能密度，也有机会使其应用扩大至电化学超级电容器和电池的应用领域。
[0005]为了增加总储存能量，需要增加电容器介电的薄膜厚度
[17]。然而，研究结果显示，HfO2/ZrO2类薄膜厚度的增加会导致非AFE单斜相(空间群：P21/c)的形成，这会减弱AFE特性
[8,17]。因此，随着HfO2/ZrO2类薄膜厚度的增加，储能性能会急剧下降
[8,17]。另一方面，据专利技术人之前的研究
[18]，TiO2界面层可以增强了ZrO2薄膜的反铁电性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种反铁电电容器，其特征在于，包含：第一电极；主层，形成于该第一电极上；以及第二电极，形成于该主层上；其中该主层包括一个或多个反铁电层以及多个界面层，并且其中该一个或多个反铁电层中的每一个被夹在该多个界面层中的两个之间。2.根据权利要求1所述的反铁电电容器，其特征在于，每个该反铁电层是选自由ZrO2、HfO2，以及Hf
x
Zr1‑
x
O2所构成的群组的材料制成，其中x表示分数。3.根据权利要求2所述的反铁电电容器，其特征在于，每个该反铁电层进一步掺杂有选自Si、Y、Al、La、Gd、N、Ti、Mg、Sr、Ce、Sn、Ge、Fe、Ta、Ba、Ga、In和Sc所构成群组中的一种或多种元素。4.根据权利要求1所述的反铁电电容器，其特征在于，每个该界面层由Si、Y、Al、La、Gd、N、Ti、Mg、Sr、Ce、Sn、Ge、Fe、Ta、Ba、Ga、In或Sc的氧化物制成。5.根据权利要求1所述的反铁电电容器，其特征在于，该反铁电电容器的效率大于70％。6.根据权利要求5所述的反铁电电容器，其特征在于，当该反铁电电容器的温度升高到150℃时，效率保持在70％以上。7.根据权利要求5所述的反铁电电容器，其特征在于，当施加10
10
个单极脉冲循环到该反铁电电容器之后，该效率保持在70％以上。8.根据权利要求1所述的反铁电电容器，其特征在于，当按比例增加该主层的厚度时，沿该反铁电电容器的离面方向的压缩应变被保持。9.根据权利要求8所述的反铁电电容器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈敏璋，易圣涵，黄继震，
申请(专利权)人：陈敏璋，
类型：发明
国别省市：