高储能密度钛酸钡薄膜电容器的制备及其充放电特性研究

摘要

高储能密度介电电容器被认为很适用于军事用脉冲功率系统，例如该系统中的电磁弹射器、高功率微波、储能电装甲、定向能激光等。另外，脉冲功率电容器也适用于其它应用，例如除颤器、X光设备、脉冲照明以及能量存储模块等。小型化、高储能、轻质量、低成本、高可靠性、长充放电寿命等是储能电容器的未来发展方向。
　　过去的几十年里，科研人员对新型储能电容器做了大量研究，在减小电容器体积以及减短放电时间，提高功率这两方面进步显著，但是整体来说，目前还没有一种兼容高储能密度和高功率密度的材料。铁电材料具有高介电常数、高功率密度、优良的铁电性和压电性的特点，由于其块体材料的击穿场强较小，从而限制了铁电块体材料的储能密度的提升，因此，铁电薄膜材料成为储能电容器的新研究方向。随着环境保护的呼声越来越高，传统的PZT基陶瓷由于含有大量的铅，其制造和使用已经被限制。而钛酸钡(BaTiO3)作为主要的电介质材料，因其具有的高介电常数和低介电损耗、高功率密度等优点，使其成为陶瓷储能电容器的理想材料。
　　为了获得结晶性良好的BaTiO3薄膜，无论是物理方法还是化学方法，在其制备的过程中，或者涉及退火等热处理，或者制备温度偏高(高于500℃)，而这同现有的CMOS硅基片集成技术是不兼容的，一般MOS芯片承受的温度极限在450℃到500℃。另外，对于用作储能电容器的BaTiO3薄膜材料，改善其击穿场强低的缺点，也是很有必要的。综上所述，对于降低BaTiO3薄膜的制备温度，同CMOS工艺相融合，并且进一步提高BaTiO3薄膜的储能密度具有很重要的理论意义和实际应用价值。
　　本文通过多靶磁控溅射技术，在硅基片上制备BaTiO3薄膜。一方面，增加镍酸镧(LaNiO3)缓冲层，获得高度c轴取向的BaTiO3薄膜。在此基础上，降低BaTiO3薄膜的制备温度至500℃以下，获得了高质量的薄膜材料，并研究其电学性能。另一方面，优化500℃制备薄膜的工艺参数，通过控制溅射时间，获得不同厚度的BaTiO3薄膜。测试制备的BaTiO3薄膜的电滞回线和充放电性能，研究其理论储能密度以及实际放电能量密度，最终制备出具有高储能密度的BaTiO3薄膜电容器。本文的主要研究内容如下:
　　1、高品质BaTiO3薄膜的中低温制备方面
　　(1)通过应变调制，在硅基片和BaTiO3薄膜之间，加入LaNiO3作为缓冲层，调控BaTiO3薄膜的取向，获得了具有高度c轴取向的薄膜。薄膜晶粒细小，表面致密，调谐率达到42％，压电常数(d33)值达到150 pm/V。
　　(2)降低BaTiO3薄膜的制备温度到350℃，获得的薄膜虽然结晶性降低，但介电性能良好，在电场强度为0～889 kV/cm区间内，BaTiO3薄膜能保持高介电常数（110左右）并在整个电场范围内保持稳定。制备过程同CMOS工艺更加兼容。
　　2、高储能密度BaTiO3薄膜电容器的制备及充放电测试方面
　　(1)在500℃下，控制溅射时间，分别溅射1h、2h和6h的BaTiO3薄膜。制备的BaTiO3薄膜结晶性好，并且具有良好的电学性能。
　　(2)测试制备的薄膜电容器的电滞回线，计算其理论储能密度，运用自己搭载的电容器充放电系统测试出其实际放电能量密度，效率约在77％范围。薄膜的储能密度效率在-170℃～300℃的温度范围内，从80％升高到93％。
　　(3)在搭载的充放电测试系统中，通过调节负载电阻的大小，可以控制放电时间的长短，最短时间达到微秒级别。充放电测试可以循环至上万次、十万次甚至更高，因此制备的BaTiO3薄膜具有很长的充放电寿命。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 铁电薄膜电容器简介

1．1．1 铁电薄膜简介

1．1．2 钛酸钡薄膜简介

1．1．3 储能电容器简介

1．2 BaTiO3薄膜的研究现状

1．2．1 BaTiO3薄膜的制备现状

1．2．2 储能电容置的研究现状

1．3 BaTiO3薄膜的制备方法

1．3．1 物理方法

1．3．2 化学方法

1．4 提高储能密度的方法及意义

1．5 本课题的研究目标及内容

1．5．1 本课题研究目标

1．5．2 本课题研究内容

第二章 BaTiO3薄膜的制备与表征

2．1 BaTiO3薄膜的制备

2．1．1 仪器及材料准备

2．1．2 底电极及其选择依据

2．1．3 BaTiO3薄膜电容器的溅射制备

2．2 薄膜的微观结构表征

2．3 薄膜的电学性能表征

2．3．1 薄膜的铁电性能表征

2．3．2 薄膜的介电及充放电性能表征

2．3．3 薄膜的压电性能表征

2．4 本章小结

第三章 中低温高度取向BaTiO3薄膜的制备

3．1 高取向BaTiO3薄膜的设计制备及其微观结构

3．2 中低温BaTiO3薄膜的电学性能

3．2．1 BaTiO3薄膜的铁电性能

3．2．2 BaTiO3薄膜的介电性能

3．2．3 BaTiO3薄腹的压电性能

3．3 本章小结

第四章 BaTiO3薄膜电容器的储能密度厦充放电特性研究

4．1 BaTiO3薄膜电容帚储能密度的研究

4．1．1 储能密度的计算方法

4．1．2 储健BaTiO3薄膜的设计

4．2 薄膜电容器充放电测试原理

4．3 BaTiO3薄膜的理论储能密度

4．3．1 不同厚度的BaTiO3薄膜的制备

4．3．2 BaTiO3薄膜的理论储能密度

4．3．3 BaTiO3薄膜的理论储能密度随温度的变化

4．4 BaTiO3薄膜电容嚣的充放电测试结果

4．4．1 BaTiO3薄膜的充放电测试过程

4．4．2 BaTiO3薄膜的量高实际放电能量密度

4．4．3 寄生电容

4．5 充放电测试系统的优势及不足之处

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

5．3 主要创新点

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文