Nano energy: Ca0.2Zr0.8O1.8新型人造死层助力巨大的介电击穿电场与无铅薄膜中巨大的储能密度

前言

目前无铅介电薄膜在储能密度上获得了非常大的进展，所报道的储能密度值（~ 86至166 J/cm³）已高于铅基薄膜所报道的最高值（~ 85J/cm³）。然而，这些高储能密度的无铅介电薄膜通常是生长在SrTiO₃（STO）单晶衬底上或者铌掺杂STO单晶称底上。利用STO或铌掺杂STO单晶作为沉积衬底，不仅薄膜制作成本昂贵，且很难通过标准的半导体工艺实现大面积或大规模制备。目前所报道直接生长在硅基底上的无铅介电薄膜无论在储能密度还是在储能效率等方面仍然无法与生长在STO等单晶衬底上的无铅介电薄膜一较高低。随着集成化、微型化、低成本的薄膜电容器需求的日益巨增，发展直接生长在硅基衬底上的高性能无铅介电薄膜变得十分迫切。

为了提高薄膜的储能密度，目前主要的策略是通过提升薄膜的介电击穿电场来实现的，常用的方法和策略有：1）限制薄膜内部缺陷的移动，如低温极化、构建垂直界面吸附氧空位等；2）减少材料内部缺陷，如氧气氛退火等；3）优化薄膜的生长过程，如使用晶格失配小的单晶基底等；4）多层异质结界面阻止电子树的发展；5）死层工程。其中，死层工程是由J. M. Gregg等人在2012年提出的。其主要设计思路为：在薄膜与电极之间上插入一层超薄的高阻层，如Al₂O₃等，通过其分担加在薄膜上的电压来实现薄膜介电击穿电场的提升。然而，由于Al₂O₃等高阻层材料的介电常数偏低，使得薄膜整体的极化强度大幅度降低，导致其储能密度提升并不显著。长期以来，该技术并没有得到较大发展。

成果简介

近日广西大学纳米能源研究中心的彭彪林教授（通讯作者）与四川大学材料科学与工程学院的余萍教授（通讯作者）、中国科学院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士（通讯作者）、西班牙巴斯克材料研究中心的张奇教授等进行合作，从死层的电学性质和能带结构两方面进行了系统的深入探究，提出高阻层（死层）在电学性质上应具备高线性介电、高绝缘的特性，在能带结构上应具备电子注入势垒高的特性，并首次提出使用Ca_0.2Zr_0.8O_1.8作为新型的人造死层。通过使用该死层，可以将Ba_0.3Sr_0.7Zr_0.18Ti_0.82O₃ (BSZT)无铅薄膜的击穿电场由5.4MV/cm提升至6.3MV/cm，其储能密度由64.9 J/cm³ 提升至 89.4 J/cm³（如图1所示）。同时，薄膜的温度稳定性和疲劳特性也得到了显著的提升。研究成果以“Giant energy storage density in lead-free dielectric thin films deposited on Si wafers with an artificial dead-layer” 为题发表于国际顶尖学术期刊《Nano Energy》, doi :10.1016/j.nanoen.2020.105390 。
利用这一新型死层材料，不仅可以有效提升铁电薄膜的储能特性，还可以进一步提升其其它强场电学特性，如电卡制冷等。
四川大学专职博士后陈潇洋博士为本文的第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、广西自然科学基金杰出青年基金、广西百人计划、广西自然科学留学回国重点基金、广西大学相对论天体物理重点实验室、广西有色金属及特色加工国家重点实验室（培育）、中组部西部之光访问学者计划等的共同资助。

图文导读

图1 新型死层助力后Ba0.3Sr0.7Zr0.18Ti0.82O3 无铅薄膜的储能特性

本文由作者团队供稿。