[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究通过溶胶-凝胶法在掺铌的SrTiO3衬底上制备了无铅的(1-x)NaNbO3-xBaHfO3薄膜，结果表明，BaHfO3掺杂可改善薄膜的微观结构，降低漏电流，并提高击穿强度。当x = 0.1时，薄膜在1100 kV/cm电场下实现了23.1 J/cm³的记录级可回收能量密度，同时具备优异的热稳定性（30–210 °C范围内ΔWr < 4.6%）、抗疲劳性能（经10⁴次循环后ΔWr < 2.9%）以及超快放电特性（τ = 0.82 μs），展现出其在微电子能量存储应用中的巨大潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发具有高能量存储密度的无铅介电薄膜，以实现环境可持续的微电子应用。
• 解决原始NaNbO3薄膜存在的高漏电流和击穿强度差等局限性。
• 研究BaHfO3掺杂对NaNbO3基薄膜结构、电学及能量存储性能的影响。
• 优化薄膜组分以实现优异的能量存储性能，包括热稳定性、抗疲劳性以及快速充放电速率。

提出的方法

• 采用溶胶-凝胶旋涂法在(001)取向的掺铌SrTiO3衬底上制备(1-x)NaNbO3-xBaHfO3薄膜（约200 nm）。
• 在680 °C下进行10分钟的退火处理，以实现钙钛矿相的形成与结晶。
• 利用X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）分析晶体结构与表面形貌。
• 在薄膜表面溅射顶部金电极（直径200 μm），形成电容器结构以进行电学表征。
• 使用Radiant精密测试系统在1 kHz频率下测量P-E滞后回线，以提取能量存储参数。
• 利用Keithley 6517数字源表和Agilent E4980 LCR电桥仪评估漏电流、介电响应及击穿强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 BaHfO3掺杂如何影响NaNbO3薄膜的结构与微观结构特性？
• RQ2 BaHfO3的引入对NaNbO3薄膜漏电流与击穿强度有何影响？
• RQ3 在NaNbO3薄膜中，为实现最大可回收能量存储密度，BaHfO3的最佳掺杂浓度（x）是多少？
• RQ4 BaHfO3掺杂对NaNbO3薄膜热稳定性与抗疲劳性能有何影响？
• RQ5 优化后的(1-x)NaNbO3-xBaHfO3薄膜的充放电动力学特性如何？

主要发现

• 当x = 0.1时，(1-x)NaNbO3-xBaHfO3薄膜在1100 kV/cm电场下实现了23.1 J/cm³的可回收能量存储密度。
• 该薄膜表现出优异的热稳定性，在30–210 °C温度范围内ΔWr小于4.6%。
• 经10,000次电循环后，能量存储密度衰减极小，ΔWr < 2.9%，表明具有出色的抗疲劳性能。
• 充放电过程极为迅速，放电时间常数τ为0.82 μs，适用于高功率应用。
• BaHfO3掺杂显著降低了漏电流并增强了击穿强度，从而提升了能量存储性能。
• x = 0.1薄膜的P-E滞后回线表现出典型的铁电性行为，具有饱和极化，表明电场诱导铁电相得到稳定。