PbZrO3基反铁电薄膜的制备及其储能性能研究

作     者：上官端丹 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王超

授予年度：2021年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：PbZrO3 储能性能 多相固溶 弛豫行为 

摘      要：PbZrO(PZO)基反铁电材料由于存在反铁电-铁电的场致相变以及几乎为0的剩余极化,使其具有优异的储能性能,因此在电介质电容器储能领域具有广阔的应用前景。本文旨在通过元素掺杂的方式,构建多相共存的PZO基固溶体反铁电薄膜,进而实现PZO基反铁电薄膜在不同应用电场下储能性能的提升。(1)针对低电场下微小型电容器的应用,将Pb Sn O(PSO)掺入PZO中形成多相共存的反铁电固溶体薄膜,通过控制(1-x)PZO-x PSO组分来调控PZO-PSO反铁电薄膜的微结构和电学性能;(2)将Sr Ti O(STO)掺入PZO中,构建多相共存的(1-x)PZO-x STO固溶体复合薄膜,实现PZO-STO薄膜在高电场作用下储能性能的提升。具体研究内容及结果如下:(1)将PSO掺入PZO中形成PZO-PSO反铁电固溶体薄膜,研究PSO含量对固溶体薄膜的微结构和电学性能的影响。结果表明:较小离子半径的Sn进入PZO晶格中取代Zr,增大了薄膜的容限因子,导致AFE相向FE相转变的电场降低,在小电场作用下能够达到饱和极化,从而实现薄膜储能密度的提升。另外,在PZO-PSO薄膜中形成四方相和正交相共存的多相结构,产生弥散相变,进而提高薄膜的储能效率。当PSO含量为0.48时,在333 k V/cm外加电场下,其储能密度和效率分别达到最大值6.11 J/cm和72%,比纯PZO薄膜在333 k V/cm时分别高出68.26%和10%。(2)研究STO含量对薄膜微观组织结构和电学性能的影响规律。结果表明:STO掺杂后,PZO-STO薄膜中产生具有钙钛矿结构的SrZrO中间相,从而形成多相结构。随着薄膜STO含量增多,导致薄膜的晶粒尺寸逐渐减小,进而改善了薄膜的击穿场强。另外,中间相的形成,破坏了PZO薄膜中的长程有序的FE偶极子,取代离子周围的结构变化产生的局域随机场导致薄膜中出现极性纳米区域,导致薄膜中出现RFE行为,优化了薄膜的储能效率。当STO含量为20%时,薄膜具有最大的可恢复密度和储能效率分别为15.26 J/cm和61.64%,相比纯PZO薄膜分别提升了117.14%和54.44%。(3)研究晶化温度对0.8PZO-0.2STO固溶体薄膜微观组织结构和电学性能的影响规律。结果表明:较高晶化温度促进了薄膜的晶粒尺寸增大,增大了薄膜最大极化强度,降低了击穿场强。当晶化温度为600℃时,0.8PZO-0.2STO薄膜具有最大的击穿场强,为2342.76 k V/cm。晶化温度为625℃的薄膜表现出较高的极化强度和明显的驰豫行为,其击穿场强为1743.54 k V/cm,此时薄膜具有最佳的储能密度和储能效率,分别为25.55 J/cm和46.53%。