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铁电性薄膜储能性能调控及其设计机理

郭飞  
【摘要】:电介质电容器作为能量存储器件,它凭借着极快的充放电速率和稳定的性能,在储能领域的研究中独具魅力。但随着电介质电容器在当前电子领域的不断发展,现有的电介质电容器的一些缺点也逐渐呈现出来,例如:(1)储能密度和储能效率较低,(2)材料的温度、频率以及疲劳稳定性需要优化,(3)柔性电容器弯折性能需要提升等。随着当前电子产品逐渐趋向功能化和集成化,传统电介质电容器的缺陷愈发明显。为了进一步提升电介质电容器的性能优势,规避电介质电容器的性能缺陷,在现有薄膜技术加持下的薄膜电容器设备应时而生,这也使得对薄膜储能性能的研究成为了当下电容器技术的热点研究方向。弛豫铁电体由于内部具有极性纳米微区,因此它可以在充放电过程中维持较低的剩余极化强度和较高的介电击穿强度。近些年,弛豫铁电体凭借着这一特点备受关注。本论文在弛豫铁电体的制备和研究的基础上,提出增强电介质储能性能的方案和策略。在实验上主要采用化学溶胶沉积法合成钛酸钡(Ba Ti O_3)、钛酸铋钠(Bi_(0.5)Na_(0.5)Ti O_3)和压电性能优异的铌酸钾钠(K_(0.5)Na_(0.5)Nb O_3)单层钙钛矿铁电材料,并通过修饰材料的内部晶格,构建固溶体,形成界面以及核壳结构等方式对材料进行设计,从而进一步研究这些薄膜材料提升电介质储能的机理。综合上述内容,本文具体的研究方向包括以下几个方面:1.通过化学溶胶沉积法制备无铅基BiMnO_3掺杂的Ba Ti O_3固溶体薄膜。在0.92Ba Ti O_3-0.08Bi Mn O_3固溶膜中制备出偏聚颗粒,并形成了“枣糕”结构。这种结构的固溶体薄膜通过提供介电差异界面,阻碍自由电子通过的方式,提升了薄膜的电绝缘性、击穿强度和最大极化,在具有优异的频率稳定性和热稳定性的同时,获得了94.1 J/cm~3的储能密度,和84.51%的储能效率。2.将Ag_2O纳米颗粒引入无铅基0.92K_(0.5)Na_(0.5)Nb O_3-0.08Bi Mn O_3固溶体膜中,设计一种类PN结结构,研究这种类PN结效应对储能性能的影响。与原始材料相比,在引入Ag_2O纳米颗粒之后,薄膜的能量密度从20.1 J/cm~3提高到65.1 J/cm~3,效率从50.7%提高到62.6%。其储能性能的提升可以归因于在Ag_2O纳米颗粒和基体之间的界面处形成的具有高电阻的耗尽层。一方面,类PN结中高阻区域的整流效应提高了薄膜的绝缘性,另一方面,由高阻区域分割形成的内部局域场增强了材料的弛豫特性,提升了储能效率。类PN结结构的设计方法为提高电介质储能性能提供了可行的方式。3.通过溶胶凝胶法制备了(1-x)Na_(0.5)Bi_(0.5)Ti O_3-x Bi Mn O_3(NBT-BMO)有限固溶体薄膜,研究了晶格修饰对储能性能的影响。随着BMO溶质的引入,NBT基质经历了从纯相、固溶体、固溶限再到析出相的转变过程。相应地,极化态从宏观铁电态演化为弛豫铁电态,最后变为复合铁电态。修饰后的NBT基质造成了局部的晶格波动和晶格拉伸,对储能性能有明显的提升。在NBT-BMO有限固溶体体系中,相比于纯相薄膜,BMO比例为2%和4%的薄膜能量存储效率从39.2%分别提高到51.7%和53.2%,储能密度从33.1 J/cm~3分别增长到了76.5J/cm~3和83.8 J/cm~3。4.采用磁控溅射、化学溶胶沉积和机械剥离等简单方法制备了高质量柔性0.94Na_(0.5)Bi_(0.5)Ti O_3-0.06Eu Ti O_3固溶体薄膜。柔性薄膜具有良好的绝缘特性和弛豫特性,这使得其储能密度达到65.4 J/cm~3,效率达到52%。此外,0.94Na_(0.5)Bi_(0.5)Ti O_3-0.06Eu Ti O_3柔性薄膜在温度、频率上具有良好的稳定性,尤其在抗弯折方面,其弯折循环测试可以达到10~5次,且在放置一个月后,性能基本不变。这些结果表明,0.94Na_(0.5)Bi_(0.5)Ti O_3-0.06Eu Ti O_3柔性薄膜电容器在可穿戴电子设备中具有巨大的应用潜力。5.理论研究中电位移(D)由电子电导(D1)、介电位移(D2)和电畴极化翻转(P)三部分的组成,这三个部分可以通过电流-电场(I-E)曲线来区分。本文通过建立适当的模型,更准确地计算出了这三者之间贡献值。与之前研究者提出的模型相比,本文建立的模型计算出的电位移中各部分的贡献值更接近于真实情况。我们又通过制备传统Ba Ti O_3铁电薄膜,进一步验证了提出模型的准确性。此模型不但为计算和区分电极化各部分的贡献提供了理论的指导,同时也提供了一种研究铁电中漏电占比的新方法。


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