BiAlO3基储能薄膜结构与性能研究开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

当前实际应用的储能元器件包括燃料电池、普通电池、电化学超级电容器和电介质电容器等。在这些储能设备中,燃料电池和普通电池储能密度分别为 200-1000 w·h/kg 和 10-300w·h/kg,但由于它们的功率密度非常低 (一般低于500 w/kg),限制了其在高功率系统中的应用。电化学超级电容器能够提供很高的功率密度 (101-106 w/kg),但是其放电过程依然需要几秒甚至几十秒。相比之下,电介质电容器能够提供一个非常高的功率密度 (高达 108 w/kg) 以及极快的放电速度 (毫秒甚至微秒)[7],所以电介质储能电容器具有的长寿命,高效率,短的充放电时间等优势。而具有高储能密度的电介质电容器将进一步促使电子电气系统朝小型化、轻量化和集成化发展。

高储能密度电介质材料的开发和应用到目前有60多年历史,其中介电常数和击穿强度是影响电介质材料储能性能的主要因素。铁电压电材料是一类非常重要的功能材料,在国民经济、高技术和国防工业中有着重要应用。含铅铁电压电材料由于具有类型丰富、性能优异、成本低廉等优势而被广泛应用[3]。但随着绿色可持续社会发展理念的深入,含铅材料对人体及环境的不利影响日益受到关注。与此同时,随着微电子器件朝着小型化,轻量化和集成化的快速发展,迫切需要性能改进的薄膜电容器。而且与块状陶瓷相比,薄膜电介质材料通常有出更高的击穿场强。所以,开发环境友好的无铅压电薄膜材料成为铁电压电材料学科的重要研究方向。

具有钙钛矿结构的无铅压电材料以其独特的机电转换性能可广泛应用于驱动器、换能器、传感器等各种电子器件中,其中铝酸铋(bialo3)是近年发现的一种新型钙钛矿结构的无铅压电材料。wang等15-17利用第一原理密度泛函计算证明了bialo3是一种有前景的无铅铁电材料。他们认为bialo3的相变是属于位移型和有序-无序型的混合状态。bialo3具有非中心对称的三角钙钛矿结构,其中bi3 离子占据12配位的a位,al3 离子占据6配位八面体中心的b位。bialo3的铁电性是由a位点的bi3 离子引起的。其中bi3 的6s2单电子对具有很强的立体化学活性,它能显著增强钙钛矿结构中的极化位移,从而提升了bialo3的铁电性能[18]。ye等人[19]研究了(1-x)laalo3-xbialo3复合材料的微观结构和电性能。结果表明,与纯laalo3相比,(1-x)laalo3-xbialo3的介电常数增加了10% 左右,介电损耗降低了一个数量级。bialo3的居里温度高于520 ℃,在-133 ℃到550 ℃的温度范围内没有结构相变[12],非常适合作为高温压电器件材料使用。son等人[20]通过pld在srruo3/srtio3基板上制备了外延pbtio3和bialo3薄膜。结果表明,pbtio3和bialo3薄膜具有较高的剩余极化率,分别为94μc/cm2和30μc/cm2,另外,bialo3薄膜比pbtio3具有更快的转换性能。考虑到bialo3具有较高的居里温度、优异的介电性能和温度稳定性,其在微电子工业中用作储能薄膜材料。本课题围绕bialo3基储能薄膜结构与性能研究,通过改变结构组成和工艺方法制备高储能密度的bialo3基薄膜,对其应用在高储能方面的实际意义进行研究探索。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

材料制备:采用溶胶凝胶法合成二维bialo3基薄膜材料。

材料表征:采用x射线衍射分析仪(xrd)、原子力显微镜(afm) 、热重分析仪(tg)等分析bialo3基薄膜材料的组成结构;采用铁电测试仪器以及精密阻抗分析仪分别测试薄膜的铁电属性和介电性能。

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-7周:采用溶胶凝胶法合成bialo3薄膜材料,研究退火温度、退火时间、退火方式等因素对薄膜物相结构、铁电性能影响规律和作用机理,确定bialo3薄膜的较佳合成条件;

第8-12周:掺入不同组分,对bialo3薄膜材料进行储能性能改性,探究bialo3薄膜组成结构对薄膜显微结构、介电性能的影响;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]nbt基无铅薄膜的压电和储能性能[d]. 哈尔滨工业大学,2016.

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