[논문 리뷰] Structural, electrical and energy storage properties of lead-free NaNbO3-BaHfO3 thin films

Huijuan Dong, Bingcheng Luo외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 06.

Ferroelectric and Piezoelectric Materials참고 문헌 32인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 납-free (1-x)NaNbO3-xBaHfO3 박막을 솔-젤 방법을 통해 Nb-doped SrTiO3 기판에 제작하여, BaHfO3 도핑이 미세구조를 향상시키고, 비상류 전류를 감소시키며, 파손 강도를 증가시킴을 입증하였다. x = 0.1일 때, 박막은 1100 kV/cm에서 기록적인 23.1 J/cm³의 복원 가능한 에너지 밀도를 달성하였으며, 우수한 열적 안정성(30–210 °C 범위에서 ΔWr < 4.6%), 피로 저항성(10⁴회 사이클 후 ΔWr < 2.9%), 초고속 방전(τ = 0.82 μs)을 보였으며, 이는 마이크로전자기기용 에너지 저장 응용 분야의 잠재력을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 환경적으로 지속 가능한 마이크로전자기기용 고에너지 저장 밀도를 가진 납-free 유전체 박막을 개발하기 위해.
• 높은 비상류 전류와 열악한 파손 강도로 인해 제한되는 순수한 NaNbO3 박막의 문제점을 해결하기 위해.
• BaHfO3 도핑이 NaNbO3 기반 박막의 구조적, 전기적 및 에너지 저장 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 열적 안정성, 피로 저항성, 고속 충·방전 특성을 포함한 뛰어난 에너지 저장 성능을 위한 최적의 박막 조성을 최적화하기 위해.

제안 방법

• 솔-젤 스핀코ating을 이용해 (001) Nb-doped SrTiO3 기판 상에 (1-x)NaNbO3-xBaHfO3 박막(~200 nm)을 제작하였다.
• 퍼보스카이트 상 형성과 결정화를 위해 680 °C에서 10분간 후처리 열처리를 실시하였다.
• 결정 구조 및 표면 형태를 분석하기 위해 X선 회절(XRD) 및 원자력 현미경(AFM)을 사용하였다.
• 전기적 특성 분석을 위해 상부 Au 전극(200 μm 지름)을 스퍼터링하여 커패시터 형상의 구조를 형성하였다.
• 에너지 저장 특성을 추출하기 위해 1 kHz에서 Radiant 정밀 워크스테이션을 사용해 P-E 히스테리시스 루프를 측정하였다.
• 비상류 전류, 유전 응답 및 파손 강도는 Keithley 6517 미터와 Agilent E4980 LCR 미터를 사용해 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BaHfO3 도핑은 NaNbO3 박막의 구조적 및 미세구조적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 BaHfO3 도입은 NaNbO3 박막의 비상류 전류와 파손 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 NaNbO3 박막에서 복원 가능한 에너지 저장 밀도를 최대화하기 위한 최적의 BaHfO3 농도(x)는 얼마인가?
• RQ4 BaHfO3 도핑에 따라 NaNbO3 박막의 열적 안정성과 피로 저항성은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 최적화된 (1-x)NaNbO3-xBaHfO3 박막의 충·방전 동역학은 어떠한가?

주요 결과

• x = 0.1일 때, (1-x)NaNbO3-xBaHfO3 박막은 1100 kV/cm에서 복원 가능한 에너지 저장 밀도 23.1 J/cm³를 달성하였다.
• 박막은 뛰어난 열적 안정성을 보였으며, 30–210 °C 범위에서 ΔWr가 4.6% 미만이었다.
• 10,000회의 전기적 사이클 후 에너지 저장 밀도의 열화가 미미하여 ΔWr < 2.9%였으며, 강력한 피로 저항성을 나타내었다.
• 충·방전 과정은 초고속이었으며, 방전 시간 τ는 0.82 μs였고, 이는 고출력 응용에 적합하였다.
• BaHfO3 도핑은 비상류 전류를 크게 감소시키고 파손 강도를 향상시켜 에너지 저장 성능 향상에 기여하였다.
• x = 0.1 박막의 P-E 히스테리시스 루프는 포화 극화를 보이며 정상적인 페로일렉트릭 유사 행동을 나타내어, 전기장 유도 페로일렉트릭 상의 안정화를 보여주었다.