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反铁电材料因其独特的外场诱导反铁电-铁电相变特性,在高密度储能,爆电换能等方面有着广泛应用前景。本文针对富锆PZT反铁电薄膜的储能性能,通过掺杂改性和薄膜叠层结构设计来优化其储能性能。 本文采用溶胶-凝胶法结合快速退火热处理工艺,在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上制备了高度择优取向的掺杂单成分和梯度及三明治结构 Pb1-xSrxZr0.97Ti0.03O3(记作PSZT)反铁电薄膜,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等测试手段对PSZT薄膜的晶体取向和组织结构进行了表征。分析表明,各PSZT薄膜均在(100)上择优取向,薄膜织构化完善,织构弥散度低。Sr的掺杂含量对薄膜晶体微观组织影响不大。 对单成分PSZT薄膜和梯度及三明治结构PSZT薄膜的铁电、介电性能进行了系统研究。所有 PSZT薄膜在室温下均为反铁电体,在一定电场下均能诱导AFE-FE相转变。PSZT薄膜的相转变开关电场受 Sr掺杂量,叠层结构以及温度的影响。随着Sr掺杂量的增加,薄膜反铁电-铁电相转变电场(EFE)逐渐增大,所有 PSZT薄膜相转变开关电场随温度升高而减小。PSZT薄膜的变温介电谱表明,随着Sr掺杂量的增加,PSZT薄膜居里点向高温偏移,居里点不受薄膜叠层结构的影响。梯度结构PSZT薄膜的介电频率稳定性高于单成分PSZT薄膜,且其介电损耗明显低于后者。 研究了电场和温度对PSZT薄膜储能性能的影响。分析表明,PSZT薄膜的储能密度随着温度的升高均呈下降趋势。掺Sr为7.5mol％的单成分PSZT薄膜和三明治结构PSZT薄膜7.5-0-7.5的储能性能得到明显的改善,其储能密度相对纯PZT分别提高了将近40%和35%,能量损耗也有一定减小,能量转换效率提高。这说明合理的Sr掺杂浓度和薄膜叠层结构设计能优化富锆PZT薄膜储能性能。