Nano energy: Ca0.2Zr0.8O1.8新型人造死層助力巨大的介電擊穿電場與無鉛薄膜中巨大的儲能密度

前言

目前無鉛介電薄膜在儲能密度上獲得了非常大的進展，所報道的儲能密度值（~ 86至166 J/cm³）已高于鉛基薄膜所報道的最高值（~ 85J/cm³）。然而，這些高儲能密度的無鉛介電薄膜通常是生長在SrTiO₃（STO）單晶襯底上或者鈮摻雜STO單晶稱底上。利用STO或鈮摻雜STO單晶作為沉積襯底，不僅薄膜制作成本昂貴，且很難通過標準的半導體工藝實現大面積或大規模制備。目前所報道直接生長在硅基底上的無鉛介電薄膜無論在儲能密度還是在儲能效率等方面仍然無法與生長在STO等單晶襯底上的無鉛介電薄膜一較高低。隨著集成化、微型化、低成本的薄膜電容器需求的日益巨增，發展直接生長在硅基襯底上的高性能無鉛介電薄膜變得十分迫切。

為了提高薄膜的儲能密度，目前主要的策略是通過提升薄膜的介電擊穿電場來實現的，常用的方法和策略有：1）限制薄膜內部缺陷的移動，如低溫極化、構建垂直界面吸附氧空位等；2）減少材料內部缺陷，如氧氣氛退火等；3）優化薄膜的生長過程，如使用晶格失配小的單晶基底等；4）多層異質結界面阻止電子樹的發展；5）死層工程。其中，死層工程是由J. M. Gregg等人在2012年提出的。其主要設計思路為：在薄膜與電極之間上插入一層超薄的高阻層，如Al₂O₃等，通過其分擔加在薄膜上的電壓來實現薄膜介電擊穿電場的提升。然而，由于Al₂O₃等高阻層材料的介電常數偏低，使得薄膜整體的極化強度大幅度降低，導致其儲能密度提升并不顯著。長期以來，該技術并沒有得到較大發展。

成果簡介

近日廣西大學納米能源研究中心的彭彪林教授（通訊作者）與四川大學材料科學與工程學院的余萍教授（通訊作者）、中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士（通訊作者）、西班牙巴斯克材料研究中心的張奇教授等進行合作，從死層的電學性質和能帶結構兩方面進行了系統的深入探究，提出高阻層（死層）在電學性質上應具備高線性介電、高絕緣的特性，在能帶結構上應具備電子注入勢壘高的特性，并首次提出使用Ca_0.2Zr_0.8O_1.8作為新型的人造死層。通過使用該死層，可以將Ba_0.3Sr_0.7Zr_0.18Ti_0.82O₃ (BSZT)無鉛薄膜的擊穿電場由5.4MV/cm提升至6.3MV/cm，其儲能密度由64.9 J/cm³ 提升至 89.4 J/cm³（如圖1所示）。同時，薄膜的溫度穩定性和疲勞特性也得到了顯著的提升。研究成果以“Giant energy storage density in lead-free dielectric thin films deposited on Si wafers with an artificial dead-layer” 為題發表于國際頂尖學術期刊《Nano Energy》, doi :10.1016/j.nanoen.2020.105390 。
利用這一新型死層材料，不僅可以有效提升鐵電薄膜的儲能特性，還可以進一步提升其其它強場電學特性，如電卡制冷等。
四川大學專職博士后陳瀟洋博士為本文的第一作者。該研究工作得到了國家自然科學基金、廣西自然科學基金杰出青年基金、廣西百人計劃、廣西自然科學留學回國重點基金、廣西大學相對論天體物理重點實驗室、廣西有色金屬及特色加工國家重點實驗室（培育）、中組部西部之光訪問學者計劃等的共同資助。

圖文導讀

圖1 新型死層助力后Ba0.3Sr0.7Zr0.18Ti0.82O3 無鉛薄膜的儲能特性

本文由作者團隊供稿。