BaSr^0.4Ti^0.6O³薄膜電容器的儲能特性研究

摘要：在SrTiO3（001）（STO）基片上，以La0.67Sr0.33MnO3（LSMO）為底電極，Pt為上電極，成功制備了BaSr0.4Ti0.6O3（BST）薄膜電容器。XRD測試結果表明，LSMO薄膜和BST薄膜為面外單一取向，外延生長于STO基片上。電容器在頻率為102Hz-106Hz的測試范圍內，介電常數(shù)表現(xiàn)平穩(wěn)。同時，該電容器具有很瘦的P-U曲線，施加電場為2.17MV/cm時，儲能密度達到20.2J/cm3，儲能效率為68.4%。

關鍵詞：薄膜電容器;儲能密度;儲能效率;P-U曲線

1.??? 引言

常見的電能儲存器件有電池、超級電容器和電介質電容器等，電介質電容器有著超快充放電速度（～ns）而功率密度最高（～GW*kg-1），同時它有抗循環(huán)老化，可承受高溫高壓等極端環(huán)境和儲能性能穩(wěn)定等優(yōu)點而應用到高功率電子、電力設備中。比如：高壓電配電和運輸、高功率粒子束、高功率微波、脈沖功率武器、電磁裝甲、混合動力汽車以及我國新研制的高功率脈沖加速器“聚龍一號”等。最近，隨著微電子設備向小型化，輕質和集成化發(fā)展，對電介質電容器也提出了更多的要求：有很大的存儲能力和高效率，體積小，對環(huán)境無污染等。無機電介質薄膜與塊體材料和有機無機復合材料相比，有更小的體積，更高的儲能密度和更大的功率密度，而且它可以承受較高溫度（>140℃），對于脈沖功率設備微型化應用具有深遠的意義。

反鐵電體因為有較大的Ps，很小的Pr，同時擊穿場強也比較大，表現(xiàn)出優(yōu)異的儲能特性。反鐵電儲能材料大多以鋯鈦酸鉛（PZT）為基體進行離子（La3+，Ba2+，Y3+，Sn4+等）替位摻雜提高材料擊穿場強，進而增大儲能密度。但是含鉛材料高溫制備時不可避免的產生鉛揮發(fā)，包括大量的生產中的含鉛廢棄原料都極易給人體和環(huán)境帶來巨大危害，極大限制了含鉛儲能材料體系的應用。目前在歐盟和美國等地方，已經禁止使用含鉛材料，所以，開展無鉛鐵電儲能材料的系統(tǒng)研究，尋找儲能性能優(yōu)異的無鉛鐵電材料體系替代含鉛材料體系也迫在眉睫。近些年，有很多關于無鉛鐵電材料儲能特性的研究和報道，并取得很大進步，國內Ye Zhao等人制備的（Na0.5Bi0.5）TiO3鐵電薄膜擊穿場強僅有1.2MV/cm，儲能密度12.4J/cm3，效率也只有43%; 美國Venkata Sreenivas Puli等人在MgO基片上以La0.5Sr0.5CoO3做緩沖層（底電極）制備的Ba0.955Ca0.045Zr0.17Ti0.83O3單晶鐵電薄膜擊穿場強能到2.08MV/cm，儲能密度高達39.1J/cm3，但是儲能效率小于50%。一方面，單一鐵電薄膜擊穿場強較低導致儲能密度較低;另一方面，鐵電體與反鐵電體相比，雖然也有較大的Ps，但是因為Pr也比較大，導致電容器儲能效率低，所以單一鐵電薄膜儲能特性受到很大的限制。

本工作利用磁控濺射技術在SrTiO3（001）（STO）基片上以La0.67Sr0.33MnO3（LSMO）為底電極制備了電介質層為BaSr0.4Ti0.6O3（BST）的薄膜電介質電容器，具體結構表示為Pt/BST/LSMO/STO。并對該電容器的結構，介電特性和儲能特性進行了綜合測試和分析。研究發(fā)現(xiàn)該電容器在施加電場為2.17MV/cm時，儲能密度為20.2J/cm3，儲能效率為68.4%。

2.??? 實驗結論與分析

圖1是BST/LSMO/STO傳統(tǒng)θ-2θ掃描圖，圖中除了STO基片的（00l）峰之外，僅出現(xiàn)LSMO和BST薄膜的（00l）峰，這說明低電極和電介質薄膜面外單一取向，可以推測薄膜和基片屬于異質外延外延關系。通過薄膜截面的SEM測試結果得出BST薄膜厚度約為200nm。

圖2 是Pt/BST/LSMO/STO電容器的介電頻譜，測試范圍為102Hz-106Hz。首先是在整個測試頻段內，隨著頻率的增加，其介電常數(shù)出現(xiàn)略微下降，這是電介質薄膜的正常表現(xiàn)之一。其次，隨著頻率的增加，電容器損耗角正切值（tanδ）也有增加趨勢，尤其在頻率高于105Hz后，tanδ表現(xiàn)出明顯增加趨勢。這是因為隨著頻率的持續(xù)增加，薄膜中取向極化翻轉會出現(xiàn)滯后而引起損耗的增加。最后，在103Hz的測試頻率下，電容器介電常數(shù)約為100，介電損耗低于5%。

在對電容器的介電特性進行測試評估后，接下來對電容器極化特性進行驗證。對于BST薄膜來說，Sr2+比Ba2+具有更小的離子半徑，抑制Ti4+的可移動范圍，減弱了BaTiO3的位移極化。所以，BST薄膜一般擁有較瘦的P-U曲線，這也是其本質使然。圖3是Pt/BST/LSMO/STO電容器的極化-電壓（P-U）曲線，測試電壓為三角波電壓，電壓頻率為103Hz，大小為40V。由圖可以看出我們制備的電容器非線性特性減弱，具有很瘦的P-U曲線，符合我們的預期。

對電介質電容器儲能特性評估分為動態(tài)測試方法和靜態(tài)測試方法。靜態(tài)測試方法即為快速充放電測試方法;動態(tài)測試方法為利用電容器的P-U曲線計算而得。在此，電容器的儲能特性是通過其P-U曲線進行積分計算而得。正如圖4 所示，是Pt/BST/LSMO/STO電容器在不同施加電壓下的單極性P-U曲線。隨著施加電壓的增加，最大極化有明顯增加，剩余極化增加卻不明顯，這說明BST電介質層鐵電性減弱，表現(xiàn)出順電體特性，非常有利于電介質儲能。隨著施加電場的持續(xù)增加，電容器的效率沒有出現(xiàn)明顯下降趨勢，在施加電場為2.17MV/cm時，其儲能密度為20.2J/cm3，儲能效率為68.4%。

3.??? 總結

本工作利用磁控濺射技術制備了Pt/BST/LSMO/STO電容器。在103Hz的測試頻率下，電容器介電常數(shù)約為100，介電損耗低于5%。同時電容器非線性特性減弱，具有很瘦的P-U曲線，符合我們的預期。該電容器在施加電場為2.17MV/cm時，儲能密度為20.2J/cm3，儲能效率為68.4%。

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作者簡介：

王曦（1982-），女，漢族，遼寧錦州，碩士研究生，講師，研究方向：學科教學論（物理）及凝聚態(tài)物理。

基金項目：“本項目受邯鄲市科學技術研究與發(fā)展計劃（基金：1723209056-4）資助”