耐高壓、高儲能密度鈦酸鋇薄膜電容器的中溫制備.pdf

1、隨著高能量密度技術(shù)及應用的發(fā)展，對高效存儲和提供電能設(shè)備的研究重要性愈發(fā)凸顯。與其他電能存儲器件（化學電池、燃料電池、超級電容器、電解電容器和高分子薄膜電容器）相比，陶瓷電容器具有高介電常數(shù)、高功率密度及良好的溫度穩(wěn)定性;其主要缺點為擊穿場強較低，從而導致其儲能密度較低。鈦酸鋇(BaTiO3)是一種具有優(yōu)異電學性能的無鉛陶瓷材料，包括強介電性、良好的鐵電壓電性以及優(yōu)異的熱釋電和電熱性能，是制備陶瓷電容器的理想材料。隨著電子器件向微型化、

2、集成化方向的快速發(fā)展，BaTiO3薄膜的應用越來越廣泛。為了得到具有較好性能的鐵電鈣鈦礦相，BaTiO3薄膜必須經(jīng)歷一個較高溫度（一般大于500℃）的處理過程，而已經(jīng)成型的MOS芯片能承受的極限處理溫度約450℃～500℃，高溫處理不利于BaTiO3薄膜與CMOS-Si技術(shù)的集成。因此，在中溫(500℃)條件下制備具有高擊穿場強及高儲能密度的BaTiO3薄膜電容器具有重要的科學意義和應用價值。
　　本文采用磁控濺射法，結(jié)合應變工程

3、方法、尺寸效應和缺陷化學設(shè)計，在硅基片上中溫(500℃)原位制備出了耐高壓、細長型電滯回線的BaTiO3薄膜（無需高溫退火）。通過對薄膜的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)及電學性能進行分析表征，系統(tǒng)地研究了薄膜的濺射工藝參數(shù)對其結(jié)構(gòu)及性能的影響，探索了薄膜的微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀電學性能之間的關(guān)系，證明了在陶瓷薄膜電容器中可以獲得高的電容儲能密度，揭示了BaTiO3/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)在高能量高功率元器件領(lǐng)域的巨大應用潛力。通過本論文的研究，在以下幾個方面取得了

4、有意義的結(jié)果:
　　(1)、在磁控濺射工藝參數(shù)的優(yōu)化方面
　?、僭?00℃～700℃的基片溫度范圍內(nèi)研究BaTiO3薄膜的結(jié)構(gòu)及結(jié)晶性。在此范圍內(nèi)隨著溫度的升高，濺射粒子在基片表面的擴散和形核速度加快，使薄膜的結(jié)晶性及結(jié)構(gòu)明顯變好。
　?、谘芯苛嗽诩傾r和Ar/O2氣氛中制備的BaTiO3薄膜的電學性能。在純Ar中濺射得到的鈦酸鋇薄膜存在大量氧空位，導致薄膜呈非化學計量比生長，漏電流較大;而在Ar/O2氣氛中濺射制備的

5、BaTiO3薄膜氧空位較少，電學性能良好。
　?、蹫R射氣壓及功率的優(yōu)化:這兩者通過影響濺射粒子到達基片的能量從而影響B(tài)aTiO3薄膜的性能。在0.3Pa、120W條件下在Pt/Ti底電極上制備的BaTiO3薄膜和在1.2Pa、100W條件下在LaNiO3/Pt/Ti底電極上制備的BaTiO3薄膜都具有較好的電學性能，包括大的介電常數(shù)和小的損耗，較大的飽和極化強度以及較小的漏電流。
　　(2)、在鈦酸鋇薄膜的構(gòu)效關(guān)系方面

6、>　　本論文工作中制備的BaTiO3薄膜結(jié)構(gòu)致密、無明顯缺陷。表面平整，表面粗糙度Ra約為2nm，平均晶粒尺寸約為200nm，且晶粒內(nèi)部存在精細的電疇結(jié)構(gòu)（尺寸約為15nm）。這種微結(jié)構(gòu)的存在極大地提高了BaTiO3薄膜的擊穿電壓、減小了剩余極化強度、延緩了其極化飽和速度，從而大大提高了薄膜電容器的儲能密度。
　　(3)、在鈦酸鋇薄膜電容器的儲能密度及穩(wěn)定性方面
　　本文制備出的BaTiO3薄膜電容器的理論儲能密度最高為81