【摘 要】
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在介电材料中,反铁电(AFE)材料表现出高饱和极化和低剩余极化强度的特点,有利于获得较高的储能密度。此外,反铁电材料还具有高击穿强度和充放电速度快等优点,有望在高功率密度电容器中得到应用。本论文采用溶胶-凝胶法在金属基底上制备PbZrO3基反铁电厚膜材料,主要研究其相结构、表面形貌、反铁电性、介电性能、导电机制及储能性能。并且为了进一步提升厚膜的实际应用能力,制备了柔性厚膜及多层电容器并研究其储能
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在介电材料中,反铁电(AFE)材料表现出高饱和极化和低剩余极化强度的特点,有利于获得较高的储能密度。此外,反铁电材料还具有高击穿强度和充放电速度快等优点,有望在高功率密度电容器中得到应用。本论文采用溶胶-凝胶法在金属基底上制备PbZrO3基反铁电厚膜材料,主要研究其相结构、表面形貌、反铁电性、介电性能、导电机制及储能性能。并且为了进一步提升厚膜的实际应用能力,制备了柔性厚膜及多层电容器并研究其储能及介电性能。采用溶胶-凝胶法在金属镍片上成功制备AFE Pb0.94La0.04Zr0.97Ti0.03O3厚膜。厚膜具有纯的钙钛矿结构。并且表面平滑,结构致密。厚膜具有优异的介电性能,在100kHz和室温条件下,其介电常数为433,这比传统硅基板上的介电常数大28%。在1400kV/cm的场强下,通过电滞回线计算得到厚膜的储能密度和储能效率分别为18.4J/cm3和54%;而在电阻-电感-电容(RLC)回路中,其最大放电储能密度为12.4 J/cm3,仅在84 ns的时间内释放其90%的能量,显示出超快的放电特性。为了满足现代柔性电子器件发展的需求,采用溶胶-凝胶法在柔性镍箔基底上制备了AFE Pb0.94La0.04Zr0.97Ti0.03O3厚膜,并通过RLC回路表征厚膜的放电储能特性。在1400 kV/cm的场强下,厚膜的放电储能密度达到15.8 J/cm3,并且在约250 ns的短时间内释放其90%的能量。通过研究发现,厚膜的放电储能性能密度和放电时间可以通过厚膜的曲率半径来调节,这为调节介电材料的电学性能提供了简单可行的方法。此外,柔性AFE厚膜在曲率半径低至2.5毫米的条件下弯曲循环1500次后表现出良好的机械稳定性能。为了进一步提高反铁电厚膜的实际应用性,本文结合上述工作的研究结果,采用并联单层厚膜的方法制备大电极AFE多层电容器并研究其电容及放电储能特性。研究结果表明,在30 V的外加电压下,多层电容器的电容达到3010 nF。其击穿强度可达734 kV/cm,最大的放电电流可达0.16 A。并且可以通过改变多层电容器的介电层数和电极面积调控其电学性能。
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