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

发布时间：2017-09-28 09:30

  本文关键词：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

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【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BaTi03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15Opm/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。
【关键词】：钛酸钡 取向生长 储能密度 中低温 充放电测试
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM53
【目录】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-15
• 第一章 绪论15-27
• 1.1 铁电薄膜电容器简介15-17
• 1.1.1 铁电薄膜简介15
• 1.1.2 钛酸钡薄膜简介15-16
• 1.1.3 储能电容器简介16-17
• 1.2 BaTiO_3薄膜的研究现状17-19
• 1.2.1 BaTiO_3薄膜的制备现状17-18
• 1.2.2 储能电容器的研究现状18-19
• 1.3 BaTiO_3薄膜的制备方法19-21
• 1.3.1 物理方法19-20
• 1.3.2 化学方法20-21
• 1.4 提高储能密度的方法及意义21-24
• 1.5 本课题的研究目标及内容24-27
• 1.5.1 本课题研究目标24
• 1.5.2 本课题研究内容24-27
• 第二章 BaTiO_3薄膜的制备与表征27-33
• 2.1 BaTiO_3薄膜的制备27-30
• 2.1.1 仪器及材料准备27-28
• 2.1.2 底电极及其选择依据28
• 2.1.3 BaTiO_3薄膜电容器的溅射制备28-30
• 2.2 薄膜的微观结构表征30-31
• 2.3 薄膜的电学性能表征31-32
• 2.3.1 薄膜的铁电性能表征31-32
• 2.3.2 薄膜的介电及充放电性能表征32
• 2.3.3 薄膜的压电性能表征32
• 2.4 本章小结32-33
• 第三章 中低温高度取向BaTiO_3薄膜的制备33-45
• 3.1 高取向BaTiO_3薄膜的设计制备及其微观结构33-36
• 3.2 中低温BaTiO_3薄膜的电学性能36-42
• 3.2.1 BaTiO_3薄膜的铁电性能36-37
• 3.2.2 BaTiO_3薄膜的介电性能37-41
• 3.2.3 BaTiO_3薄膜的压电性能41-42
• 3.3 本章小结42-45
• 第四章 BaTiO_3薄膜电容器的储能密度及充放电特性研究45-65
• 4.1 BaTiO_3薄膜电容器储能密度的研究45-46
• 4.1.1 储能密度的计算方法45-46
• 4.1.2 储能BaTiO_3薄膜的设计46
• 4.2 薄膜电容器充放电测试原理46-48
• 4.3 BaTiO_3薄膜的理论储能密度48-52
• 4.3.1 不同厚度的BaTiO_3薄膜的制备48-49
• 4.3.2 BaTiO_3薄膜的理论储能密度49-50
• 4.3.3 BaTiO_3薄膜的理论储能密度随温度的变化50-52
• 4.4 BaTiO_3薄膜电容器的充放电测试结果52-60
• 4.4.1 BaTiO_3薄膜的充放电测试过程52-55
• 4.4.2 BaTiO_3薄膜的最高实际放电能量密度55-56
• 4.4.3 寄生电容56-60
• 4.5 充放电测试系统的优势及不足之处60-62
• 4.6 本章小结62-65
• 第五章 结论与展望65-69
• 5.1 结论65
• 5.2 展望65-66
• 5.3 主要创新点66-69
• 参考文献69-79
• 致谢79-81
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文81-82
• 学位论文评阅及答辩情况表82

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本文编号：935082