【儀表網 研發快訊】電介質儲能電容器憑借高功率密度、超快充放電速度和長循環壽命等優勢，被廣泛應用于脈沖激光器、新能源汽車等高功率電子設備。然而，如何在維持高儲能密度與效率的同時，進一步提升其溫度穩定性，仍然是當前面臨的關鍵挑戰。目前，主流策略是通過多相復合、化學摻雜或缺陷工程等方法引入納米疇結構，旨在誘導弛豫鐵電或弛豫反鐵電特性以優化儲能性能。但這類方法的工藝通常較為復雜，制約了高性能電介質儲能薄膜的大規模制備。
針對上述挑戰，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心胡衛進研究員團隊創新性地提出利用超快結晶過程 “鎖定” 高溫納米鐵電/反鐵電疇，以制備高性能弛豫鐵電或反鐵電薄膜的新思路。研究團隊據此成功開發出升降溫速率達每秒1000 ℃的“閃速退火”工藝，并憑借它，僅用1秒就完成了鋯酸鉛 (PbZrO3) 弛豫反鐵電薄膜的結晶 (圖1)。相關薄膜電容器展現出了良好的儲能性能和出色的熱穩定性。該成果以“閃速退火構筑晶圓級弛豫反鐵電薄膜以提升儲能性能 (Flash annealing-engineered wafer-scale relaxor antiferroelectrics for enhanced energy storage performance) ”為題, 于2025年11月15日發表在 《科學進展》(Science Advances)雜志上。
研究結果表明，閃速退火工藝成功地將材料高溫順電相結構凍結至室溫，形成了尺寸小于3納米的短程有序納米疇 (圖2)，從而誘導出關鍵的弛豫反鐵電行為。此外，該工藝使薄膜晶粒排列更加致密，增加了有益的小角晶界數量，并有效抑制了制備過程中鉛元素的揮發，很大程度上消除了鉛空位等有害缺陷 (圖3)。上述因素的協同作用，顯著降低了薄膜電容器的漏電流，并同步提高了其極化強度與擊穿電場，最終將儲能密度提升至63.5 J/cm3 (圖4)。尤為突出的是，利用該工藝制備的薄膜電容器表現出卓越的溫度穩定性。經低至零下196 ℃的液氮環境, 到高達400 ℃的高溫循環后，其儲能密度與效率的衰減均低于3%。這一特性確保了器件可應用于深空探測、地下油氣勘探等極端溫度環境。該技術兼具普適性與可擴展性。它同樣適用于經典的鋯鈦酸鉛 (PZT) 鐵電材料，能將其轉變為弛豫鐵電體從而提升儲能性能五倍；更可在2英寸硅晶圓上制備出均勻的弛豫反鐵電薄膜，為芯片級集成儲能提供了具備工業化潛力的解決方案(圖5)。
本工作第一作者為金屬所李異卓副研究員、山東大學宋克鵬研究員和金屬所博士研究生朱美雄，通訊作者為金屬所胡衛進研究員。金屬所王宇佳研究員開展了計算模擬工作，金屬所李昺研究員、西安交通大學王志宏教授在材料表征和器件性能測試方面提供了重要支持。
該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院國際合作計劃、遼寧省中央引導地方科技發展專項、中國科學院青促會等項目的資助, 也得到了上海同步輻射光源的大力支持。
圖1. 超快結晶制備弛豫反鐵電薄膜的原理與實現過程
圖2. 不同工藝制備的正常反鐵電和弛豫反鐵電薄膜的晶體結構和疇結構
圖3. 反鐵電和弛豫反鐵電薄膜的表面形貌、微結構和成分
圖4. 不同工藝制備的反鐵電和弛豫反鐵電薄膜電容的儲能性能
圖5. 弛豫反鐵電薄膜電容器的熱循環穩定性與晶圓級制備
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