中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：高功率密度的介電電容器被廣泛應(yīng)用于脈沖功率系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、石油鉆井等領(lǐng)域。隨著新型電子電學(xué)系統(tǒng)不斷集成化、微型化以及應(yīng)用領(lǐng)域的多元化，對(duì)儲(chǔ)能介電電容器提出了“高溫化、高儲(chǔ)能密度和高儲(chǔ)能效率”的“三高”要求。然而，高溫化始終伴隨著擊穿場(chǎng)強(qiáng)和介電常數(shù)的下降，導(dǎo)致高溫化和高儲(chǔ)能特性無(wú)法共存。因此，如何在高溫區(qū)阻止介電常數(shù)、擊穿場(chǎng)強(qiáng)的下降成為獲得高溫高儲(chǔ)能特性的關(guān)鍵。
針對(duì)這一問(wèn)題，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬春蕊副教授與微電子學(xué)院劉明教授合作，通過(guò)選取17 mol% HfO2摻雜BaTiO3、1 mol% SiO2摻雜BaZr0.35Ti0.65O3和0.85BaTiO3-0.15Bi(Mg0.5Zr0.5)O3三種無(wú)鉛鈦酸鋇基材料構(gòu)建了一種應(yīng)變和介電常數(shù)雙梯度的儲(chǔ)能薄膜電容器。以介電常數(shù)梯度來(lái)平衡薄膜中電場(chǎng)的分布，減緩電子在薄膜中的傳輸，提高擊穿強(qiáng)度。以應(yīng)變梯度來(lái)提升高溫區(qū)的介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)寬溫區(qū)內(nèi)的穩(wěn)定性。在應(yīng)變和介電常數(shù)雙梯度的協(xié)同作用下，使得無(wú)鉛鈦酸鋇基薄膜電容器的工作溫區(qū)提升至350℃，明顯高于現(xiàn)有商業(yè)X8R, X9R電容器的工作溫度。這一設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的普適性，為進(jìn)一步提高介電電容器的高溫儲(chǔ)能特性開(kāi)辟了新的途徑。
上述研究成果以《應(yīng)變和介電常數(shù)雙梯度提高無(wú)鉛鈦酸鋇基薄膜高溫儲(chǔ)能特性》(Ultrahigh Temperature Lead-Free Film Capacitors via Strain and Dielectric Constant Double Gradient Design)為題發(fā)表在Small上，該工作是材料學(xué)院碩士生范江奇與博士生胡天翼在馬春蕊副教授指導(dǎo)下完成的。感謝微電子學(xué)院賈春林教授、馬傳生工程師在微觀結(jié)構(gòu)表征方面的支持。材料學(xué)院馬春蕊副教授與微電子學(xué)院劉明教授為該文章的通訊作者。西安交通大學(xué)金屬?gòu)?qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為該論文的第一作者和通訊作者單位。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家“973”項(xiàng)目、西安交大青年拔尖人才計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
