中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
具有高能量密度和高儲能效率的介質(zhì)電容器是通信、航空航天、消費電子、工業(yè)儀器及國防軍工等領(lǐng)域的基礎元器件之一，可運用于5G通信、集成電路、航空電子、可再生能源、電動(dòng)汽車(chē)、電磁炮等諸多高科技領(lǐng)域。未來(lái)隨著(zhù)通信及電子設備朝著(zhù)小型化、集成化、多功能化、輕量化的方向不斷發(fā)展，對電容器提出了更高的要求，如微型化、可集成、高容量、高效率、低成本及可工作于惡劣環(huán)境等。Si是當前甚至未來(lái)集成電路和半導體器件的基本材料，如何在Si襯底上制備出高儲能性能的薄膜電容器是目前研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。
針對上述問(wèn)題，西安交通大學(xué)劉明教授團隊采用原子層沉積（ALD）技術(shù)在Si襯底與鐵電層之間生長(cháng)了一層超薄的具有低介電常數、高擊穿特性、高耐溫的HfO2緩沖層，并利用射頻磁控濺射技術(shù)在緩沖層上生長(cháng)了1 mol% SiO2摻雜的無(wú)鉛Ba(Zr0.35Ti0.65)O3 (BZTS)薄膜。通過(guò)調控生長(cháng)參數及結構設計使得Si基無(wú)鉛BZTS薄膜電容器的擊穿特性、寬溫特性得到了大幅提升，最終實(shí)現室溫下高的儲能密度（93.48 J/cm3）及效率（71.44%），比未添加緩沖層的BZTS薄膜電容器儲能密度提高約65%。同時(shí)，在-100℃-200℃的寬溫范圍內表現出優(yōu)異的儲能特性。此外，具有緩沖層的BZTS薄膜電容器在不同劑量He+及中子輻照后均表現出非常穩定的儲能性能。該研究成果為制備Si集成高性能無(wú)鉛薄膜電容器提供了有效的策略，且為Si集成超高儲能薄膜電容器在高溫、高寒、輻射等惡劣環(huán)境下的應用提供了實(shí)驗依據。
該研究工作以“Silicon-integrated lead-free BaTiO3-based film capacitors with excellent energy storage performance and highly stable irradiation resistance”為題發(fā)表在國際知名期刊Journal of Materials Chemistry A（實(shí)時(shí)影響因子11.301），該工作第一作者為西安交通大學(xué)微電子學(xué)院博士生趙凡，微電子學(xué)院劉明教授、電氣學(xué)院成永紅教授、西北核技術(shù)研究所劉林月研究員為共同通訊作者。參與該工作的還有微電子學(xué)院賈春林教授、胡光亮助理教授、代艷竹工程師，材料學(xué)院馬春蕊副教授，電氣學(xué)院劉鑫助理教授，寶雞文理學(xué)院胡登衛教授，西北核技術(shù)研究所歐陽(yáng)曉平院士。
該研究得到國家自然科學(xué)基金 、國家“973”項目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專(zhuān)項資金、陜西省自然科學(xué)基金等支持。
