【摘要】：當(dāng)前各式各樣的可穿戴式、便攜式甚至是可植入式器件的發(fā)展對(duì)其能量供給單元的尺寸小型化提出了更高的要求。傳統(tǒng)儲(chǔ)能解決方案,如超級(jí)電容器、鋰電池及燃料電池等,因其較小的功率密度不適用于小型器件需要快速充放電的應(yīng)用場(chǎng)景。靜電電容器雖然具有極高的功率密度,但其較小的儲(chǔ)能密度無(wú)法滿足小型能量供給單元的儲(chǔ)能需求。目前,提高靜電電容器儲(chǔ)能密度的最佳方案是采用以反鐵電材料為介質(zhì)層制備靜電電容器,利用其非線性極化的特性以求在同等外加電壓下獲得更高的儲(chǔ)能密度。但目前得到廣泛研究的鈣鈦礦型反鐵電材料與硅基半導(dǎo)體工藝不兼容,暫時(shí)無(wú)法與半導(dǎo)體器件集成以投入實(shí)際應(yīng)用。而近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)摻雜特定元素改性后的二氧化鉿薄膜具備反鐵電性質(zhì)。由于二氧化鉿材料是一種晶體管高k介質(zhì)材料,具備良好的工藝兼容性。這一具備新性質(zhì)材料的發(fā)現(xiàn)有望突破目前的技術(shù)瓶頸,成為制備高儲(chǔ)能密度靜電電容器介質(zhì)材料的最佳選擇。本文以摻雜濃度為6 mol%的Si摻雜HfO_2反鐵電薄膜作為研究對(duì)象,通過(guò)宏觀電學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)地探究這類螢石型反鐵電薄膜極化特性及儲(chǔ)能特性的外電場(chǎng)依賴性、溫度穩(wěn)定性及疲勞特性。實(shí)驗(yàn)表明,高場(chǎng)下Si摻雜HfO_2反鐵電薄膜具備很高的儲(chǔ)能密度,達(dá)到61.2 J/cm~3,高于目前所報(bào)道的其他種類靜電薄膜電容器的儲(chǔ)能密度值,換算為單位質(zhì)量?jī)?chǔ)能密度后為1.77 Wh/kg,較目前商用靜電電容器同類數(shù)值提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。此外,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溫度下降導(dǎo)致薄膜內(nèi)部非極性四方相向鐵電正交相發(fā)生轉(zhuǎn)變,即低溫有利于正交相的穩(wěn)定。作者利用一級(jí)相變理論中不同溫度下四方相與正交相相對(duì)自由能的變化解釋了上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。薄膜的儲(chǔ)能特性也表現(xiàn)出了優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。在210~400 K寬溫度區(qū)間內(nèi),Si摻雜HfO_2反鐵電薄膜的儲(chǔ)能密度的變化范圍為40.5~54.2 J/cm~3,這與常溫下數(shù)值(300 K,3.5 MV/cm電場(chǎng)下時(shí)為47.8 J/cm~3)相比波動(dòng)低于15%。在疲勞測(cè)試方面,Si摻雜HfO_2反鐵電薄膜表現(xiàn)出了優(yōu)異的疲勞耐久性,經(jīng)過(guò)外加循環(huán)電場(chǎng)10~9次循環(huán),薄膜的剩余極化強(qiáng)度增大,最大極化強(qiáng)度基本不變。結(jié)合同類型鐵電薄膜的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,作者參考電疇反轉(zhuǎn)誘發(fā)電荷注入模型對(duì)Si摻雜HfO_2反鐵電薄膜的疲勞特性做出了解釋。最后,本論文討論了疲勞對(duì)薄膜儲(chǔ)能特性的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)外加電場(chǎng)加載到10~9次后,薄膜的儲(chǔ)能密度維持在43.0 J/cm~3,較初始值減小了18%,表明Si摻雜HfO_2反鐵電薄膜的儲(chǔ)能特性具備優(yōu)良的疲勞耐久性。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.2

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 趙振宇;盧荻;丑修建;劉俊;;硅基反鐵電薄膜微懸臂梁力學(xué)仿真分析[J];測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào);2010年05期

2 張修麗;張燕妮;徐海生;劉長(zhǎng)利;;有機(jī)鐵電薄膜的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2010年21期

3 符春林;潘復(fù)生;蔡葦;鄧小玲;;金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積制備鐵電薄膜材料研究進(jìn)展[J];真空;2008年06期

4 符春林;潘復(fù)生;蔡葦;鄧小玲;;脈沖激光沉積制備鐵電薄膜材料研究進(jìn)展[J];激光雜志;2008年04期

5 楊平雄,孟祥建,黃志明,y嚲，

本文編號(hào)：2621994