Adv. Mater.：通过表面工程得到具有超高储能性的无铅多层氧化物电容器

【引言】

作为电容器的介电材料在过去几十年间得到了广泛的探索，由于其具有控制电荷、储存电能的性质，又可以应用于高级电学器件和发电系统中，因此，必将得到更加深入的研究。在众多的介电材料电容器中，薄膜电容器对于介电能量的存储性能正吸引着越来越多的关注，原因就在于其极高的充/放电速度，这使得其在介电储能材料和供能器件中拥有最高的能量密度。对于储能材料来说，储能密度、储能效率和热稳定性是衡量器件性能最重要的三个指标。近期的研究很多都关注器件在室温下的性能，而忽略了其在较大温度区间范围内的运行状况。优秀的热稳定性是电学器件微小化和集成化后在极端条件下工作的必要条件。电容器材料的研究以往总是关注铅基材料，不可否认，铅基材料电容器表现出了良好的储能性和热稳定性。然而，铅基材料对于人类以及环境的危害限制了其进一步的应用。因此，研究一种无铅、热稳定性好、储能性质优秀的材料成为了新的挑战。

【成果简介】

最近，来自西安交通大学的汪宏教授和刘明副教授（共同通讯作者）报道了一种通过控制界面状态得到的无铅薄膜电容器，表现出了极高的储能性质。该成果以“Ultrahigh Energy Storage Performance of Lead-Free Oxide Multilayer Film Capacitors via Interface Engineering”为题发表在了2016年11月29日的Advanced Materials上。

作为一种人工合成材料，由于铁电/介电的多层薄膜或者超晶格结构中独特的氧八面体和相邻层间的界面结构，其表现出了远高于单层薄膜的优秀性能。在这一思路指导下，实验中制备了Ba_0.7Ca_0.3TiO₃-BaZr_0.2Ti_0.8O₃ (BCT-BZT)的多层薄膜结构，在经过仔细调节多层薄膜间的界面后，其在室温以及较高温度下都表现出了极高的储能性质。在140℃时，其能量密度和充/放电效率相较无铅陶瓷和铅基电陶瓷都是最高的。此外，基于有限元方法得到的数值模拟结果表明，界面间的有效调控阻碍了电树的生长和扩大，因此增强了器件的击穿强度。

【图文导读】

图1 各样品不同方向的倒易空间图及其扫描透射电子显微镜（STEM）、选区电子衍射（SAED）图

a-c.2/4/8层BCT/BZT薄膜的（001）反射面倒易空间图

d-f.2/4/8层BCT/BZT薄膜的（103）反射面倒易空间图

g-i.2/4/8层BCT/BZT薄膜横截面的STEM图

j-l.2/4/8层BCT/BZT薄膜的SAED图

图2 不同BCT/BZT薄膜的介电常数/介电损失-频率图

a.不同层数BCT/BZT薄膜的介电常数-频率图

b.不同层数BCT/BZT薄膜的介电损失-频率图

c.BCT和BZT单层薄膜的介电常数-频率图

d.BCT和BZT单层薄膜的介电损失-频率图

图3 BCT/BZT薄膜的击穿强度及其电树的变化

a.介电击穿强度的威布尔分布

b.不同层数（2/4/8层）BCT/BZT薄膜的实验和计算击穿强度

c-e.电场强度为4 MV cm−1时不同层数（2/4/8层）BCT/BZT薄膜电树的变化

图4 不同样品电学性能的测量

a.BCT/BZT薄膜的能量密度和储电效率随电场强度变化图

b.BCT/BZT薄膜的可恢复储能密度和效率随温度变化图

c.在140℃时4层BCT/BZT薄膜的泄露电流密度-电场强度图

d.在140℃时4层BCT/BZT薄膜与多种典型材料储能性的比较图

【小结】

通过表面工程的有效调控，无铅的BCT/BZT薄膜表现出了极高的能量密度和效率，这表明表面工程对于电容器的储能特性的调控是极其有效的，也为其他体系的薄膜电容器性能的提高提供了思路。此外，发展无铅电容器符合可持续以及环境友好的发展理念，将来必将取代铅基电容器成为主流。

文献链接：Ultrahigh Energy Storage Performance of Lead-Free Oxide Multilayer Film Capacitors via Interface Engineering（Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201604427）

本文由材料人电子电工学术组大城小爱供稿，材料牛整理编辑。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！