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钛酸钡基复合薄膜的结构设计与储能性能研究

摘要

电介质电容器凭借超高的功率密度和超快的充放电速率在混合动力汽车、电

子通信和脉冲功率技术等领域应用广泛，与电化学电容器、燃料电池等储能器件

相比，较低的储能密度限制了电介质电容器的实际应用。在众多不同类型的电介

质电容器中，薄膜电容器因其具有较高的储能性能成为当前研究热点。随着电子

器件不断向集成化、微型化和柔性化发展，对薄膜电容器电介质材料的储能特性

提出了更高的要求，因此制备出具有优异介电性能的电介质材料是获得高储能薄

膜电容器的关键。

钛酸钡（BaTiO，BTO）作为一种典型的铁电介质，因其具有低介电损耗、

3

高相对介电常数和高能量密度等优势成为薄膜电容器的关键材料。本文以BTO基

铁电薄膜为研究对象，采用溶胶-凝胶法制备BTO基复合薄膜，利用离子掺杂和组

分调控的方式优化BTO基复合薄膜的储能性能。同时选择耐高温的氟晶云母为柔

性衬底生长BTO基复合薄膜，探索其在柔性电子器件领域的应用价值。具体研究

内容如下：

4+4+

在BTO晶胞中的Ti位引入Zr，通过调控薄膜的结晶程度优化其储能性能。

4+

在相同的退火温度下，Zr掺杂可以降低薄膜的结晶程度，使薄膜呈现类线性材料

4+3+

的极化行为，同时Zr掺杂可以抑制Ti的产生，降低氧空位含量，提升薄膜的击

4+

穿场强。研究结果表明，随着Zr掺杂含量的增加，薄膜的击穿场强先升高后降低，

Ba(ZrTi)O（BZT20）薄膜的储能性能达到最佳，其储能密度和储能效率分别

0.20.83

3

为34.42J/cm和76.59%，同时复合薄膜兼具优异的温度、频率、疲劳稳定性。

在非晶BZT20薄膜中引入NaBiTiO（NBT）组元，通过在复合薄膜内部

0.50.53

形成纳米级极化区域进一步优化其储能性能。BZT20薄膜没有明显的晶界或晶粒，

虽然其具有超高的击穿场强但是极化强度较低。纳米级极化区域可以在提升非晶

薄膜的极化强度的同时降低极化损耗，使复合薄膜呈现出更加纤细的电滞回线，

进一步提升复合薄膜的储能密度和储能效率。最终，0.94BZT20-0.06NBT薄膜呈

3

现出最优的储能性能，其储能密度和储能效率分别为62.08J/cm和85.18%，同时

复合薄膜兼具优异的温度、频率、疲劳稳定性。

以氟晶云母为衬底制备柔性0.94BZT20-0.06NBT复合薄膜，通过控制旋涂层

数，探究柔性复合薄膜的厚度对储能性能的影响规律。研究结果表明，当柔性复

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合的厚度为110nm时，其储能密度和储能效率分别为8.38J/cm和92.82%，同时

兼具良好的温度、弯折、疲劳稳定性。基于衬底与薄膜的整体厚度，计算总储能

-I-

密度，由于云母衬底可剥离至微米级别，在柔性氟晶云母上生长的

0.94BZT20-0.06NBT复合薄膜的总储能密度是Pt(111)/Ti/SiO/Si衬底上的13.28倍。

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关键词钛酸钡；击穿场强；极化性能；储能性能；柔性薄膜

-II-

ResearchonStructuralDesignandEnergyStorage

PerformanceofBariumTitanate-BasedComposite

Films