西安交大科研人员在无铅介电储能薄膜电容器研究领域取得重要进展

高功率密度的介电电容器被广泛应用于脉冲功率系统、电动汽车、石油钻井等领域。随着新型电子电学系统不断集成化、微型化以及应用领域的多元化，对储能介电电容器提出了“高温化、高储能密度和高储能效率”的“三高”要求。然而，高温化始终伴随着击穿场强和介电常数的下降，导致高温化和高储能特性无法共存。因此，如何在高温区阻止介电常数、击穿场强的下降成为获得高温高储能特性的关键。

针对这一问题，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室马春蕊副教授与微电子学院刘明教授合作，通过选取17 mol% HfO2掺杂BaTiO3、1 mol% SiO2掺杂BaZr0.35Ti0.65O3和0.85BaTiO3-0.15Bi(Mg0.5Zr0.5)O3三种无铅钛酸钡基材料构建了一种应变和介电常数双梯度的储能薄膜电容器。以介电常数梯度来平衡薄膜中电场的分布，减缓电子在薄膜中的传输，提高击穿强度。以应变梯度来提升高温区的介电常数，实现介电常数宽温区内的稳定性。在应变和介电常数双梯度的协同作用下，使得无铅钛酸钡基薄膜电容器的工作温区提升至350℃，明显高于现有商业X8R, X9R电容器的工作温度。这一设计具有很强的普适性，为进一步提高介电电容器的高温储能特性开辟了新的途径。

上述研究成果以《应变和介电常数双梯度提高无铅钛酸钡基薄膜高温储能特性》(Ultrahigh Temperature Lead-Free Film Capacitors via Strain and Dielectric Constant Double Gradient Design)为题发表在Small上，该工作是材料学院硕士生范江奇与博士生胡天翼在马春蕊副教授指导下完成的。感谢微电子学院贾春林教授、马传生工程师在微观结构表征方面的支持。材料学院马春蕊副教授与微电子学院刘明教授为该文章的通讯作者。西安交通大学金属强度国家重点实验室为该论文的第一作者和通讯作者单位。该研究得到国家自然科学基金、国家“973”项目、西安交大青年拔尖人才计划等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202105780

研究团队主页链接：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/chunrui.ma