微波退火储能用PbZrO₃-Al₂O₃纳米复合薄膜的微结构与电学性能

摘要

【目的】长期以来，能源存储技术一直备受学术领域和工业领域的密切关注，与其他电介质材料相比，反铁电材料的介电电容器能够显示出更高的能量存储密度和更快的电荷释放速率。锆酸铅（Pb ZrO₃）作为典型的反铁电材料因其独特的场致相变行为以及高居里温度，在实际储能应用中具有较大的潜力。【方法】电介质材料的储能性能主要取决于其极化性能和电场击穿强度。为了提高以Pb ZrO₃为电介质的储能电容器的储能密度，本文通过热蒸镀法在Pt（111）/Ti/SiO₂/Si衬底上蒸镀了3 nm厚的Al层并通过溶胶-凝胶法在Al层覆盖的衬底上沉积Pb ZrO₃非晶薄膜，分别利用微波退火和普通退火两种工艺制备了Pb ZrO₃-Al₂O₃纳米复合薄膜。【结果】采用该方法制备的Al₂O₃纳米粒子层状分布在Pb ZrO₃基体上，形成纳米复合薄膜，且该薄膜的电滞回线的形状与极化性能可调控。采用普通退火方式制备的Pb ZrO₃-Al₂O₃纳米复合薄膜在950 k V/cm电场下具有13.52 J/cm³的储能密度，比普通退火制备的Pb ZrO₃薄膜密度提高了83%。除此之外，已有实验数据表明微波退火可以降低Pb ZrO₃薄膜的结晶活化能，不仅可以使非晶Pb ZrO₃薄膜在650℃低温下结晶，而且所用时间仅为普通退火的三分之一。微波退火还可以稳定Pb ZrO₃薄膜的反铁电性能，从而提升了薄膜的储能密度。利用微波退火这一特性，本文进一步优化Pb ZrO₃-Al₂O₃纳米复合薄膜微结构，减小薄膜的晶粒尺寸并降低漏电流密度。采用微波退火方式制备的Pb ZrO₃-Al₂O₃纳米复合薄膜的漏电流密度约为10^-8数量级，比普通退火制备的Pb ZrO₃-Al₂O₃纳米复合薄膜进一步降低了1个数量级，这说明微波退火可以调控钙钛矿晶粒尺寸及Al₂O₃纳米粒子分布，从而提高了电场击穿强度。采用微波退火方式制备的Pb ZrO₃-Al₂O₃纳米复合薄膜在1 550 k V/cm电场下具有18.94 J/cm³的储能密度，比普通退火制备的纳米复合薄膜提高了40.1%。【结论】本文利用热蒸镀配合节能环保的微波退火技术制备出高质量电介质纳米复合薄膜，为纳米复合设计新型储能电容器材料提供了新的思路。

关键词

锆酸铅 / Al₂O₃纳米粒子 / 纳米复合薄膜 / 溶胶-凝胶法 / 漏电流密度 / 电场击穿强度 / 储能密度 / 晶粒尺寸

基金资助

辽宁省中央引导地方科技发展专项资金项目(2021JH6/10500168)