可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料及其制备方法技术

本申请公开了一种可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料及其制备方法。层状复合弛豫铁电材料包括刚性衬底、形成于刚性衬底上的下电极层、形成于下电极层上的层状复合弛豫铁电层、以及形成于层状复合弛豫铁电层上的上电极层，层状复合弛豫铁电层为具有弛豫铁电性的多层结构薄膜，多层结构薄膜包括依次重复多周期叠加生长于下电极层上的下层和上层；其制备方法为：选取STO基片，在STO基片上生成SRO层，在SRO层上生成多层BTO

【技术实现步骤摘要】
可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料及其制备方法


[0001]本申请涉及弛豫铁电能量存储的领域，更具体地说，涉及一种可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]电介质电容器作为储能设备的储能核心，具有高功率密度、充放电速度快、循环寿命长等优点，引起了广泛关注和研究，但低能量密度的缺陷致使电介质电容器的发展受到了一定的限制，因此研究开始通过各种不同方式提高电介质电容器的能量密度。
[0003]目前电介质电容器的电介质储能材料主要分为四类，分别为线性电介质材料、铁电材料、弛豫铁电材料和反铁电材料。其中线性电介质材料由于击穿场强低，导致储能密度低；铁电材料由于储能损耗大以及高剩余极化强度也导致储能效率低；反铁电材料也同样因为储能损耗大会导致储能效率降低的现象；而弛豫铁电材料具有更高的击穿场强、更低的剩余极化强度值，因此具有更高的储能密度和储能效率。
[0004]目前研究上对于弛豫铁电材料储能性能的提升达到了瓶颈期，因此研究方向开始朝着不同的新型结构来提升弛豫铁电材料的储能性能，包括两相固溶、界面工程技术等方法。其中界面工程技术由于制备成本低、制备流程简单、提升储能性能明显一直被应用于弛豫铁电材料。
[0005]因此，利用界面工程技术研究制备出具有更高储能密度和储能效率的弛豫铁电电容器对未来储能设备的发展和研究有着非常重要的意义。

技术实现思路

[0006]为了改善目前弛豫铁电电容器储能密度和储能效率不佳的问题，本申请提供一种可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料及其制备方法。
[0007]第一方面，本申请提供一种可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料，采用如下的技术方案：一种可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料，包括刚性衬底、形成于所述刚性衬底上的下电极层、形成于所述下电极层上的层状复合弛豫铁电层、以及形成于所述层状复合弛豫铁电层上的上电极层；所述层状复合弛豫铁电层为基于所述下电极层生长的具有弛豫铁电性的多层结构薄膜，所述多层结构薄膜包括依次叠加生长于所述下电极层上的下层和上层，所述下层和所述上层重复多周期叠加设置。
[0008]通过采用上述技术方案，制得的层状复合弛豫铁电材料具有弛豫铁电薄膜晶体的结构，并且具有更高储能密度、更高储能效率、更宽域工作温度、更高的饱和极化强度值和更低的剩余极化强度值的优点，也解决了无法同时实现提高极化强度和降低储能消耗的问题。
[0009]优选的，所述刚性衬底为SrTiO3（STO）基片，所述STO基片的晶面取向为[100]。
[0010]优选的，所述下电极层为基于所述刚性衬底生长的SrRuO3（SRO）层。
[0011]优选的，所述上电极层为基于所述层状复合弛豫铁电层生长的SrRuO3（SRO）层。
[0012]优选的，所述下层的组成元素包括Ba和Ti，所述上层的组成元素包括Sr和Ti。
[0013]优选的，所述多层结构薄膜为BaTiO3（BTO）
‑
SrTiO3（STO）双层结构。
[0014]优选的，所述层状复合弛豫铁电层中的上层的总厚度小于所述上电极层及所述下电极层的总厚度，所述层状复合弛豫铁电层的下层为所述层状复合弛豫铁电层的主要层，所述下层的总厚度占所述层状复合弛豫铁电层总厚度的80%~85%。
[0015]通过采用上述技术方案，将下层的总厚度控制在占层状复合弛豫铁电层总厚度的80%~85%之间制得的材料具有更好的储能密度与储能效率。
[0016]优选的，所述下电极层和所述上电极层的厚度均为20~40nm，所述层状复合弛豫铁电层中的上层的总厚度为35~60nm，所述层状复合弛豫铁电层中的下层的总厚度为200~260nm，所述层状复合弛豫铁电层的厚度为280~320nm。
[0017]优选的，所述下电极层和所述上电极层的厚度均为30~35nm，所述层状复合弛豫铁电层中的上层的总厚度为55~60nm，所述层状复合弛豫铁电层中的下层的总厚度为235~250nm，所述层状复合弛豫铁电层的厚度为290~310nm。
[0018]第二方面，本申请提供一种可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料的制备方法，采用如下的技术方案：一种可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料的制备方法，包括以下步骤：（1）选取特定晶面取向的刚性衬底；（2）在选取的特定晶面取向的刚性衬底上生成下电极层；（3）在下电极层上生成具有弛豫铁电性的层状复合弛豫铁电层，层状复合弛豫铁电层由具有下层和上层的多层结构薄膜重复多周期叠加形成；（4）在层状复合弛豫铁电层上生成上电极层，得到层状复合弛豫铁电材料。
[0019]通过采用上述制备方法制得的层状复合弛豫铁电材料的P
‑
E环更加细长，降低了剩余极化强度，从而提高了储能效率。
[0020]优选的，包括以下步骤：（1）选取晶面取向为[100]的STO基片作为刚性衬底；（2）在STO刚性衬底上生成SRO层作为下电极层；（3）在SRO下电极层上重复多周期生成多层BTO
‑
STO层，多层BTO
‑
STO层叠加形成层状复合弛豫铁电层；（4）在层状复合弛豫铁电层上生成SRO层作为上电极层，得到层状复合弛豫铁电材料。
[0021]优选的，步骤（2）中生成下电极层、步骤（3）中生成层状复合弛豫铁电层以及步骤（4）中生成上电极层均采用脉冲激光沉积方法。
[0022]优选的，步骤（3）包括以下步骤：A.将BTO靶材和STO靶材分别放置在两个相邻的靶位上；B.对步骤（1）中STO基片进行粘结处理并放置于脉冲激光沉积系统的生长腔中主
靶位的正上方，STO基片与靶材之间的距离控制在
‑
10~10cm；C.将BTO靶位切换至主靶位，开启激光器轰击BTO靶材120~1200发；D.迅速将STO靶位切换至主靶位，开启激光器轰击STO靶材20~200发；E.重复循环步骤C~D的过程10~100次，制得重复周期N为10~100的BTO
‑
STO层状复合弛豫铁电材料。
[0023]优选的，步骤（2）中下电极层和步骤（4）中上电极层的沉积参数均控制为：沉积真空度≤1
×
10
‑7Pa，沉积温度为680~720℃，氧分压为70~90mTorr，激光能量为340~360mJ，脉冲激光频率为1~10Hz，沉积温度速率为20~30℃/min，激光焦距为0~30mm，沉积速率2~5nm/min。
[0024]优选的，步骤（3）中层状复合弛豫铁电层的沉积真空度≤1
×
10
‑7Pa，沉积温度为720~760℃，氧分压为5~20mTorr，激光能量为360~400mJ，脉冲激光频率为1~10Hz，沉积温度速率为20~30℃/min，激光焦距为
‑
30~0mm，沉积速率2~5nm/min。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料，其特征在于，包括：刚性衬底、形成于所述刚性衬底上的下电极层、形成于所述下电极层上的层状复合弛豫铁电层、以及形成于所述层状复合弛豫铁电层上的上电极层；所述层状复合弛豫铁电层为基于所述下电极层生长的具有弛豫铁电性的多层结构薄膜，所述多层结构薄膜包括依次叠加生长于所述下电极层上的下层和上层，所述下层和所述上层重复多周期叠加设置。2.根据权利要求1所述的可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料，其特征在于：所述刚性衬底为SrTiO3（STO）基片，所述STO基片的晶面取向为[100]。3.根据权利要求1所述的可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料，其特征在于：所述下电极层为基于所述刚性衬底生长的SrRuO3（SRO）层。4.根据权利要求1所述的可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料，其特征在于：所述上电极层为基于所述层状复合弛豫铁电层生长的SrRuO3（SRO）层。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料，其特征在于：所述下层的组成元素包括Ba和Ti，所述上层的组成元素包括Sr和Ti。6.根据权利要求5所述的可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料，其特征在于：所述多层结构薄膜为BaTiO3（BTO）
‑
SrTiO3（STO）双层结构。7.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料，其特征在于：所述层状复合弛豫铁电层中的上层的总厚度小于所述上电极层及所述下电极层的总厚度，所述层状复合弛豫铁电层的下层为所述层状复合弛豫铁电层的主要层，所述下层的总厚度占所述层状复合弛豫铁电层总厚度的80%~85%。8.根据权利要求7所述的可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料，其特征在于：所述下电极层和所述上电极层的厚度均为20~40nm，所述层状复合弛豫铁电层中的上层的总厚度为35~60nm，所述层状复合弛豫铁电层中的下层的总厚度为200~260nm，所述层状复合弛豫铁电层的厚度为280~320nm。9.根据权利要求8所述的可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料，其特征在于：所述下电极层和所述上电极层的厚度均为30~35nm，所述层状复合弛豫铁电层中的上层的总厚度为55~60nm，所述层状复合弛豫铁电层中的下层的总厚度为235~250nm，所述层状复合弛豫铁电层的厚度为290~310nm。10.权利要求1
‑
9中任一项所述的可同时提高储能密度与储能效率的层状复合弛豫铁电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）选取特定晶面取向的刚性衬底；（2）在选取的特定晶面取向的刚性衬底上生成下电极层；（3）在下电极层上生成具有弛豫铁电性的层状复合弛豫铁电层，层状复合弛豫铁电层由具有下层和上层的多层结构薄膜重复多周期叠加形成；（4）在层状复合弛豫铁电层上生成上电极层，...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟高阔，陈骞鑫，李江宇，黄明强，任传来，安峰，张园，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：