[論文レビュー] Structural, electrical and energy storage properties of lead-free NaNbO3-BaHfO3 thin films

Huijuan Dong, Bingcheng Luo+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2021

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 32被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ナブチルチオール酸を用いた溶媒法を用いて、ニオブ酸ドープSrTiO3基板上に鉛フリー(1-x)NaNbO3-xBaHfO3薄膜を調製し、BaHfO3ドーピングが微細構造を向上させ、漏れ電流を低減し、遮断強度を向上させることを示した。x = 0.1のとき、1100 kV/cmで23.1 J/cm³の記録的回収エネルギー密度を達成し、30–210 °Cの温度範囲でΔWr < 4.6%の優れた熱安定性、10⁴サイクル後の疲労耐性（ΔWr < 2.9%）、および超高速放電（τ = 0.82 μs）を示した。これは、マイクロエレクトロニクス分野におけるエネルギー貯蔵応用の可能性を示している。

ABSTRACT

Lead-free dielectric thin-film capacitors with desirable energy storage density are gathering attention due to the increasing environmental concern and the integrating electronic devices. We here reported a series of new highly-orientated (1-x)NaNbO3-xBaHfO3 (x<0.15) lead-free thin films prepared by a sol-gel method, and presented the dependence of their structural, electrical and energy storage properties on the x level of BaHfO3. The microstructure, leakage current and breakdown strength of pristine NaNbO3 thin films are significantly improved by addition of BaHfO3. As a result, the superior energy storage performances were obtained at x=0.1 with recoverable energy storage density of 23.1 J/cm3 at 1100 kV/cm, excellent thermal stability from 30 to 210 0C, good fatigue resistance, and the fast charge-discharge rate.

研究の動機と目的

• 環境に配慮したマイクロエレクトロニクス向けに、高エネルギー貯蔵密度を有する鉛フリー誘電体薄膜の開発を目的とする。
• 高漏れ電流および低遮断強度という純粋なNaNbO3薄膜の限界を克服することを目的とする。
• BaHfO3ドーピングがNaNbO3ベース薄膜の構造的・電気的性質およびエネルギー貯蔵特性に与える影響を調査することを目的とする。
• 熱安定性、疲労耐性、高速充放電特性を含む優れたエネルギー貯蔵性能を実現するための薄膜組成の最適化を目的とする。

提案手法

• 溶媒法を用いたスピンコーティングにより、(001)面ニオブ酸ドープSrTiO3基板上に(1-x)NaNbO3-xBaHfO3薄膜（約200 nm）を調製した。
• ペロフスカイト相の形成と結晶化を達成するため、680 °Cで10分間の後処理アニールを施した。
• 結晶構造および表面被膜の分析に、X線回折（XRD）および原子間力顕微鏡（AFM）を用いた。
• 電気的特性評価のため、上部に金電極（200 μm直径）をスパッタリング法で形成したコンデンサ構造を構築した。
• エネルギー貯蔵特性の抽出のため、1 kHzでRadiant精密ワークステーションを用いてP-Eヒステリシスループを測定した。
• 漏れ電流、誘電応答、遮断強度は、Keithley 6517メータおよびAgilent E4980 LCRメータを用いて評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaHfO3ドーピングは、NaNbO3薄膜の構造的およびマイクロ構造的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 BaHfO3の添加は、NaNbO3薄膜における漏れ電流および遮断強度にどのような影響を及えるか？
• RQ3 NaNbO3薄膜における回収エネルギー貯蔵密度を最大化するための最適なBaHfO3濃度（x）は何か？
• RQ4 BaHfO3ドーピングに伴い、熱安定性および疲労耐性はどのように変化するか？
• RQ5 最適化された(1-x)NaNbO3-xBaHfO3薄膜の充放電ダイナミクスはいかなるものか？

主な発見

• x = 0.1のとき、(1-x)NaNbO3-xBaHfO3薄膜は1100 kV/cmで23.1 J/cm³の回収エネルギー貯蔵密度を達成した。
• 30–210 °Cの温度範囲で、ΔWrが4.6%未満という優れた熱安定性を示した。
• 10,000回の電気的サイクル後に、エネルギー貯蔵密度の劣化は最小限に抑えられ、ΔWr < 2.9%であった。これは強力な疲労耐性を示している。
• 充放電プロセスは超高速であり、放電時間τが0.82 μsであった。これは高パワー応用に適している。
• BaHfO3ドーピングにより、漏れ電流が顕著に低減され、遮断強度が向上した。これは、エネルギー貯蔵性能の向上に寄与した。
• x = 0.1の薄膜のP-Eヒステリシスループは、飽和分極を示す通常のフェロエレクトリック的挙動を示し、電場誘起フェロエレクトリック相の安定化を示した。