本文關(guān)鍵詞：高儲(chǔ)能密度鈦酸鋇薄膜電容器的制備及其充放電特性研究

  更多相關(guān)文章： 鈦酸鋇 取向生長(zhǎng) 儲(chǔ)能密度 中低溫 充放電測(cè)試

【摘要】：高儲(chǔ)能密度介電電容器被認(rèn)為很適用于軍事用脈沖功率系統(tǒng),例如該系統(tǒng)中的電磁彈射器、高功率微波、儲(chǔ)能電裝甲、定向能激光等。另外,脈沖功率電容器也適用于其它應(yīng)用,例如除顫器、X光設(shè)備、脈沖照明以及能量存儲(chǔ)模塊等。小型化、高儲(chǔ)能、輕質(zhì)量、低成本、高可靠性、長(zhǎng)充放電壽命等是儲(chǔ)能電容器的未來發(fā)展方向。過去的幾十年里,科研人員對(duì)新型儲(chǔ)能電容器做了大量研究,在減小電容器體積以及減短放電時(shí)間,提高功率這兩方面進(jìn)步顯著,但是整體來說,目前還沒有一種兼容高儲(chǔ)能密度和高功率密度的材料。鐵電材料具有高介電常數(shù)、高功率密度、優(yōu)良的鐵電性和壓電性的特點(diǎn),由于其塊體材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)較小,從而限制了鐵電塊體材料的儲(chǔ)能密度的提升,因此,鐵電薄膜材料成為儲(chǔ)能電容器的新研究方向。隨著環(huán)境保護(hù)的呼聲越來越高,傳統(tǒng)的PZT基陶瓷由于含有大量的鉛,其制造和使用已經(jīng)被限制。而鈦酸鋇(BaTiO3)作為主要的電介質(zhì)材料,因其具有的高介電常數(shù)和低介電損耗、高功率密度等優(yōu)點(diǎn),使其成為陶瓷儲(chǔ)能電容器的理想材料。為了獲得結(jié)晶性良好的BaTiO3薄膜,無(wú)論是物理方法還是化學(xué)方法,在其制備的過程中,或者涉及退火等熱處理,或者制備溫度偏高(高于500℃),而這同現(xiàn)有的CMOS硅基片集成技術(shù)是不兼容的,一般MOS芯片承受的溫度極限在450℃到500℃。另外,對(duì)于用作儲(chǔ)能電容器的BaTiO3薄膜材料,改善其擊穿場(chǎng)強(qiáng)低的缺點(diǎn),也是很有必要的。綜上所述,對(duì)于降低BaTiO3薄膜的制備溫度,同CMOS工藝相融合,并且進(jìn)一步提高BaTiO3薄膜的儲(chǔ)能密度具有很重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文通過多靶磁控濺射技術(shù),在硅基片上制備BaTiO3薄膜。一方面,增加鎳酸鑭(LaNiO3)緩沖層,獲得高度c軸取向的BaTiO3薄膜。在此基礎(chǔ)上,降低BaTiO3薄膜的制備溫度至500℃以下,獲得了高質(zhì)量的薄膜材料,并研究其電學(xué)性能。另一方面,優(yōu)化500℃制備薄膜的工藝參數(shù),通過控制濺射時(shí)間,獲得不同厚度的BaTiO3薄膜。測(cè)試制備的BaTi03薄膜的電滯回線和充放電性能,研究其理論儲(chǔ)能密度以及實(shí)際放電能量密度,最終制備出具有高儲(chǔ)能密度的BaTiO3薄膜電容器。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：1、高品質(zhì)BaTiO3薄膜的中低溫制備方面(1)通過應(yīng)變調(diào)制,在硅基片和BaTiO3薄膜之間,加入LaNiO3作為緩沖層,調(diào)控BaTiO3薄膜的取向,獲得了具有高度c軸取向的薄膜。薄膜晶粒細(xì)小,表面致密,調(diào)諧率達(dá)到42%,壓電常數(shù)(d33)值達(dá)到15Opm/V。(2)降低BaTiO3薄膜的制備溫度到350℃,獲得的薄膜雖然結(jié)晶性降低,但介電性能良好,在電場(chǎng)強(qiáng)度為0-889 kV/cm區(qū)間內(nèi),BaTiO3薄膜能保持高介電常數(shù)(110左右)并在整個(gè)電場(chǎng)范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。制備過程同CMOS工藝更加兼容。2、高儲(chǔ)能密度BaTiO3薄膜電容器的制備及充放電測(cè)試方面(1)在500℃下,控制濺射時(shí)間,分別濺射1h、2h和6h的BaTiO3薄膜。制備的BaTiO3薄膜結(jié)晶性好,并且具有良好的電學(xué)性能。(2)測(cè)試制備的薄膜電容器的電滯回線,計(jì)算其理論儲(chǔ)能密度,運(yùn)用自己搭載的電容器充放電系統(tǒng)測(cè)試出其實(shí)際放電能量密度,效率約在77%范圍。薄膜的儲(chǔ)能密度效率在-170℃～300℃的溫度范圍內(nèi),從80%升高到93%。(3)在搭載的充放電測(cè)試系統(tǒng)中,通過調(diào)節(jié)負(fù)載電阻的大小,可以控制放電時(shí)間的長(zhǎng)短,最短時(shí)間達(dá)到微秒級(jí)別。充放電測(cè)試可以循環(huán)至上萬(wàn)次、十萬(wàn)次甚至更高,因此制備的BaTiO3薄膜具有很長(zhǎng)的充放電壽命。
【關(guān)鍵詞】：鈦酸鋇 取向生長(zhǎng) 儲(chǔ)能密度 中低溫 充放電測(cè)試
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM53
【目錄】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-15
• 第一章 緒論15-27
• 1.1 鐵電薄膜電容器簡(jiǎn)介15-17
• 1.1.1 鐵電薄膜簡(jiǎn)介15
• 1.1.2 鈦酸鋇薄膜簡(jiǎn)介15-16
• 1.1.3 儲(chǔ)能電容器簡(jiǎn)介16-17
• 1.2 BaTiO_3薄膜的研究現(xiàn)狀17-19
• 1.2.1 BaTiO_3薄膜的制備現(xiàn)狀17-18
• 1.2.2 儲(chǔ)能電容器的研究現(xiàn)狀18-19
• 1.3 BaTiO_3薄膜的制備方法19-21
• 1.3.1 物理方法19-20
• 1.3.2 化學(xué)方法20-21
• 1.4 提高儲(chǔ)能密度的方法及意義21-24
• 1.5 本課題的研究目標(biāo)及內(nèi)容24-27
• 1.5.1 本課題研究目標(biāo)24
• 1.5.2 本課題研究?jī)?nèi)容24-27
• 第二章 BaTiO_3薄膜的制備與表征27-33
• 2.1 BaTiO_3薄膜的制備27-30
• 2.1.1 儀器及材料準(zhǔn)備27-28
• 2.1.2 底電極及其選擇依據(jù)28
• 2.1.3 BaTiO_3薄膜電容器的濺射制備28-30
• 2.2 薄膜的微觀結(jié)構(gòu)表征30-31
• 2.3 薄膜的電學(xué)性能表征31-32
• 2.3.1 薄膜的鐵電性能表征31-32
• 2.3.2 薄膜的介電及充放電性能表征32
• 2.3.3 薄膜的壓電性能表征32
• 2.4 本章小結(jié)32-33
• 第三章 中低溫高度取向BaTiO_3薄膜的制備33-45
• 3.1 高取向BaTiO_3薄膜的設(shè)計(jì)制備及其微觀結(jié)構(gòu)33-36
• 3.2 中低溫BaTiO_3薄膜的電學(xué)性能36-42
• 3.2.1 BaTiO_3薄膜的鐵電性能36-37
• 3.2.2 BaTiO_3薄膜的介電性能37-41
• 3.2.3 BaTiO_3薄膜的壓電性能41-42
• 3.3 本章小結(jié)42-45
• 第四章 BaTiO_3薄膜電容器的儲(chǔ)能密度及充放電特性研究45-65
• 4.1 BaTiO_3薄膜電容器儲(chǔ)能密度的研究45-46
• 4.1.1 儲(chǔ)能密度的計(jì)算方法45-46
• 4.1.2 儲(chǔ)能BaTiO_3薄膜的設(shè)計(jì)46
• 4.2 薄膜電容器充放電測(cè)試原理46-48
• 4.3 BaTiO_3薄膜的理論儲(chǔ)能密度48-52
• 4.3.1 不同厚度的BaTiO_3薄膜的制備48-49
• 4.3.2 BaTiO_3薄膜的理論儲(chǔ)能密度49-50
• 4.3.3 BaTiO_3薄膜的理論儲(chǔ)能密度隨溫度的變化50-52
• 4.4 BaTiO_3薄膜電容器的充放電測(cè)試結(jié)果52-60
• 4.4.1 BaTiO_3薄膜的充放電測(cè)試過程52-55
• 4.4.2 BaTiO_3薄膜的最高實(shí)際放電能量密度55-56
• 4.4.3 寄生電容56-60
• 4.5 充放電測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及不足之處60-62
• 4.6 本章小結(jié)62-65
• 第五章 結(jié)論與展望65-69
• 5.1 結(jié)論65
• 5.2 展望65-66
• 5.3 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)66-69
• 參考文獻(xiàn)69-79
• 致謝79-81
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文81-82
• 學(xué)位論文評(píng)閱及答辯情況表82

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本文編號(hào)：935082