无铅钛酸钡基多层薄膜的结构设计与宽温储能特性研究

A material with high energy storage density, high energy storage efficiency and excellent thermal stability is the basis of capacitor with high performance in wide temperature range. The breakdown strength of environment-friendly barium titanate based materials is low and hence limits its applications. In this project, we will improve the energy storage properties by fabricating the Ba0.3Sr0.7TiO3 and 0.85BaTiO3-0.15Bi(Mg0.5Zr0.5)O3 multilayer thin film, since paraelectric Ba0.3Sr0.7TiO3 has high energy storage efficiency and relaxor ferroelectric 0.85BaTiO3-0.15Bi(Mg0.5Zr0.5)O3 has high dielectric constant in 25 ~200 °C wide temperature range. This project will focus on the investigation of the influence of component ratio, interface structure (strain, interface diffusion), and size effect on the energy storage properties of multilayer in wide temperature by tuning the thickness and periods of multilayer, revealing the mechanism of the component, interface and size effect on its energy storage performance. In additional, we will combine the experimental data to simulate the charge transport behavior in multilayer by using finite element method, and set up a simple model of breakdown. According to the experimental and theory data, the component ratio, structure and thickness of multilayer thin film will be optimized in order to obtain a high performance energy storage material in wide temperature range. The study of multilayer component, interface and the size effect is helpful for us to understand the characteristics of the dielectric storage, and provide a new idea and method to fabricate a composite dielectric material with high performance in wide temperature, which has significant meaning in scientific and practical.

具有高储能密度、高储能效率及优秀热稳定性的材料是宽温高性能电容器的基础。环境友好的钛酸钡基材料由于击穿强度较低局限了它的应用范围。本项目拟将在25 ~200 °C宽温区内具有高储能效率的顺电体Ba0.3Sr0.7TiO3和高介电常数的弛豫铁电体0.85BaTiO3-0.15Bi(Mg0.5Zr0.5)O3制成多层膜来提高材料的储能特性。通过调控多层膜的膜厚、周期数来重点研究组分比、界面结构（应力、界面扩散等）以及尺寸效应对多层膜宽温储能特性的影响规律，揭示其储能特性的组分、界面和尺寸效应。结合实验数据，采用有限元方法模拟电荷在多层膜中的传输行为，建立简单的击穿模型。在此基础上，优化多层膜的组分比、结构和膜厚，获得具有高性能的宽温储能电介质材料。多层膜组分、界面和尺寸效应的研究有助于我们对电介质储能特性的认识，为宽温高性能复合电介质材料的制备提供新思路和新方法，具有非常重要的科学和实际意义。

随着电子器件向着小型化、集成化、轻量化的方向发展，亟需提高电容器在高温的储能密度和热稳定性。一方面，航空航天、石油钻井等领域要求电容器的工作温度大于150 °C，而目前广泛使用的X8R只能150 °C 以下使用，无法满足更高温度的要求。另一方面，器件的工作温度总在一定范围内波动，需要电容器能够在不断变化的温度环境下运行，具有优秀的热稳定性。更重要的是，电容器如果能在宽温区内保持较高的储能密度，就可以有效减小设备的体积和重量，从而大大降低成本。.本项目将在25 ~200 °C宽温区内具有高储能效率的顺电体Ba0.3Sr0.7TiO3和高介电常数的弛豫铁电体0.85BaTiO3-0.15Bi(Mg0.5Zr0.5)O3制成多层膜来提高材料的宽温储能特性。我们通过调控组分比、周期数和膜厚来重点研究了组分比、界面结构和尺寸效应对BST/BT-BMZ多层薄膜宽温储能特性的影响，总结了多层薄膜的储能密度和储能效率随组分比、周期数和膜厚的变化规律。在这三个因素的共同影响下，在25~250 °C宽温区内具有最优性能的结构是：BST和BT-BMZ的组分比为3/7，最佳的周期数是8，最佳的膜厚为230 nm。相比于单层的BST与BT-BMZ薄膜，多层薄膜的工作温度分别扩宽了100 °C 和50 °C，使其在25~250 °C宽温区内具有优异的热稳定性，其储能密度能够高达30.64 J/cm3，且在此温区内变化率只有5.15%，储能效率一直高于70%。.通过此研究结果揭示了多层薄膜的击穿场强和介电常数这两个决定着储能特性的关键因素不仅是由界面阻挡和界面耦合效应之间的相互竞争所决定，而且薄膜内部的“死层”和界面密度之间竞争也起着关键的作用。除此以外，两种材料之间的组分比也是决定其储能特性至关重要的因素，只有合适的组分比才能够更好的发挥二者的优势，实现优势互补，得到宽温性能优异的无铅复合电介质材料。这一结果不仅表明我们所设计多层薄膜电容器具有在极端环境下的应用前景并开辟了一种调控薄膜电容器工作温度的方法，而且丰富了我们对多层薄膜电介质储能特性的认识。