高储能密度宽工作温度无铅薄膜、电容器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了高储能密度宽工作温度无铅薄膜、电容器及其制备方法，高储能密度宽工作温度无铅薄膜，包括Nb:SrTiO3基片和薄膜，所述薄膜设置于Nb:SrTiO3基片的表面；所述薄膜为BaHf

【技术实现步骤摘要】
高储能密度宽工作温度无铅薄膜、电容器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及储能薄膜材料领域，具体涉及高储能密度宽工作温度无铅薄膜、电容器及其制备方法。

技术介绍

[0002]介电电容器是一种重要的储能元件，因其具有较高的功率密度，较快的充放电速度和较长的使用寿命，因此在各种电力电子设备中都有广泛的应用。然而，相对较低的储能密度和较低的工作温度极大限制了它们在恶劣环境下的应用。一方面，目前商用的介电电容器只能在105℃以下工作，其储能密度约为2J/cm3，然而实际环境的温度往往高于这个温度。例如在混合动力汽车中，电容器所处的环境温度约为140℃，因此不得不额外添加冷却系统，这无疑增加了额外的重量、体积、以及能耗。更糟糕的是，在另一些情况下，配备冷却系统是不现实的。例如环境温度超过200℃的石油钻机，油气开发等，没有安装冷却系统的空间，甚至需要极高的成本。这就要求电容器必须在高温下工作。另一方面，电容器如果能在宽温区内保持较高的储能密度，就可以有效地减少设备的体积和重量，从而大大降低成本。因此研究和开发具有高储能密度与宽工作温度的电容器具有重要的意义。
[0003]通常，在较高的工作温度下，由于热激发电介质材料的漏电流密度会急剧上升，即使施加相比室温下更低的电压，电容器也很容易击穿，这就限制了电容器的工作温度。在高温下，电介质的剩余极化随着温度的升高快速增加，导致电容器在高温下储能密度较低。
[0004]因此，要提高电容的储能密度与扩宽其工作温区。就需要满足2个条件。一方面介电电容器在高温下能施加较高的电场，另一方面在高温高电场下，电介质的剩余极化能保持较低的值。

技术实现思路

[0005]为克服无铅薄膜储能密度较低，工作温度较低的问题，本专利技术的目的在于提供高储能密度宽工作温度无铅薄膜、电容器及其制备方法，以提高储能密度和工作温度范围。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]高储能密度宽工作温度无铅薄膜，包括Nb:SrTiO3基片和薄膜，所述薄膜设置于Nb:SrTiO3基片的表面；所述薄膜为BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜，其中x的取值范围为0.05≤x≤0.32。
[0008]优选的，Nb:SrTiO3基片采用(001)取向的单晶Nb:SrTiO3基片。
[0009]优选的，BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜的厚度为395～405nm。
[0010]优选的，所述高储能密度宽工作温度无铅薄膜的击穿场强为4.4～7.8MV/cm，储能密度其41～90J/cm3，宽温范围为
‑
100～400℃。
[0011]本专利技术还提供了高储能密度宽工作温度无铅薄膜的制备方法，包括如下过程：
[0012]在Nb:SrTiO3基片表面制备BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜，得到所述高储能密度宽工作温度无铅薄膜，其中x的取值范围为0.05≤x≤0.32。
[0013]优选的：通过磁控溅射的方式，利用BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜的陶瓷靶材，在Nb:SrTiO3基
片表面制备BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜，之后进行退火，得到所述高储能密度宽工作温度无铅薄膜。
[0014]优选的，在Nb:SrTiO3基片表面制备BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜时的温度为700℃
‑
850℃；退火温度为700℃
‑
850℃。
[0015]优选的，Nb:SrTiO3基片采用(001)取向的单晶Nb:SrTiO3基片。
[0016]优选的，BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜的厚度为395～405nm。
[0017]本专利技术还提供了一种电容器，包括电极层和本专利技术如上所述的高储能密度宽工作温度无铅薄膜，所述电极层设置于BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜表面。
[0018]本专利技术具有如下有益效果：
[0019]本专利技术BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜中，x的取值范围为0.05≤x≤0.32，通过元素铪的加入有助于提高薄膜的击穿场强，在保持较大极化的同时，降低剩余极化，提高储能密度。同时铪元素的加入有助于增加薄膜的弛豫特性，提高温度稳定性，故能提高的薄膜的工作温度。
[0020]进一步的，Nb:SrTiO3基片采用(001)取向的单晶Nb:SrTiO3基片，选用Nb掺杂SrTiO3基片原因在于：Nb:SrTiO3基片为导电基片，可做电极使用，此外Nb:SrTiO3基片与薄膜均为钙钛矿结构，便于BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜外延。
[0021]进一步的，BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜的厚度为395～405nm，较厚的薄膜有助于消除应力对储能性能的影响。
[0022]本专利技术的制备工艺中，在Nb:SrTiO3基片表面制备的BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜时的温度为700℃
‑
850℃；退火温度为700℃
‑
850℃。在此温度下，薄膜具有更好的结晶质量，能减少生长过程中缺陷的形成，增加薄膜的击穿场强，提高储能密度与工作温度。
附图说明
[0023]图1是本专利技术实施例1
‑
实施例5制备的薄膜击穿场强的韦布尔分布图；
具体实施方式
[0024]为了使专利技术技术及效益更加清楚明白，以下结合实例对本专利技术进一步说明，此处实施例仅用于解释本专利技术，并不限于本专利技术。
[0025]实施例1
[0026]本实施例电容器的制备过程如下：
[0027]步骤1、靶材制备：用于生长BaHf
0.05
Ti
0.95
O3薄膜的陶瓷靶材采用纯度级别为99.99％的BaCO3粉、HfO2粉和TiO2粉按配比，通过陶瓷工艺制备而成；制备陶瓷靶材时，烧结温度均低于各体系成相温度100℃。
[0028]步骤2、放基片、抽真空：将Nb:SrTiO3基片放在加热台上，使用机械泵和分子泵使得沉积腔内真空度小于10
‑5mbar。
[0029]步骤3、通气、升温：通入体积比为1/1的氩气与氧气的混合气体200mbar，再使样品台温度升高至700℃，保温10min。
[0030]步骤4、抽真空、通气：再将沉积腔抽至气压小于10
‑5mbar，之后再次通入混合气体使气压为0.135mbar；
[0031]步骤5、薄膜生长：打开溅射源，溅射BaHf
0.05
Ti
0.95
O3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高储能密度宽工作温度无铅薄膜，其特征在于，包括Nb:SrTiO3基片和薄膜，所述薄膜设置于Nb:SrTiO3基片的表面；所述薄膜为BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜，其中x的取值范围为0.05≤x≤0.32。2.根据权利要求1所述的高储能密度宽工作温度无铅薄膜，其特征在于，Nb:SrTiO3基片采用(001)取向的单晶Nb:SrTiO3基片。3.根据权利要求1所述的高储能密度宽工作温度无铅薄膜，其特征在于，BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜的厚度为395～405nm。4.根据权利要求1所述的高储能密度宽工作温度无铅薄膜，其特征在于，所述高储能密度宽工作温度无铅薄膜的击穿场强为4.4～7.8MV/cm，储能密度为41～90J/cm3，宽温范围为
‑
100～400℃。5.高储能密度宽工作温度无铅薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下过程：在Nb:SrTiO3基片表面制备BaHf
x
Ti1‑
x
O3薄膜，得到所述高储能密度宽工作温度无铅薄膜，其中x的取值范围为0.05≤x≤0.32。6.根据权利要求5所述的高储能密度宽工作温度无铅薄膜的制备方法，其特征在于：通过磁控溅射的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明，马春蕊，陆锐，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：