中國(guó)團(tuán)隊(duì)研發(fā)一秒“冰火淬煉”工藝 成功制備晶圓級(jí)高性能儲(chǔ)能薄膜
中新網(wǎng)北京11月15日電 (記者 孫自法)記者從中國(guó)科學(xué)院金屬研究所(金屬所)獲悉，冰火淬煉該所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心胡衛(wèi)進(jìn)研究員團(tuán)隊(duì)攜手合作者，中國(guó)最新研究開(kāi)發(fā)出一種熱處理升降溫速率可達(dá)每秒1000攝氏度的團(tuán)隊(duì)“閃速退火”工藝，基于這種被形象稱為一秒“冰火淬煉”的研發(fā)藝成圓級(jí)工藝技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)已成功制備出晶圓級(jí)高性能儲(chǔ)能薄膜。秒工膜
在中國(guó)科學(xué)院金屬所實(shí)驗(yàn)室，功制高性研究人員利用一秒“冰火淬煉”工藝，備晶僅用時(shí)1秒鐘就在硅晶圓上成功制備出一種名為“鋯酸鉛”的儲(chǔ)能薄弛豫反鐵電薄膜。
研究團(tuán)隊(duì)表示，冰火淬煉這項(xiàng)工藝技術(shù)操作簡(jiǎn)單，中國(guó)還很容易“放大”，團(tuán)隊(duì)目前已初步能在2英寸的研發(fā)藝成圓級(jí)硅晶圓上制備出均勻的高性能薄膜，從而為芯片級(jí)集成儲(chǔ)能提供具備工業(yè)化潛力的秒工膜解決方案。
超快結(jié)晶制備弛豫反鐵電薄膜的功制高性原理與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 供圖這項(xiàng)重要材料工藝研發(fā)成果論文，備晶北京時(shí)間11月15日凌晨在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上線發(fā)表，為下一代高性能儲(chǔ)能電容器件的制造開(kāi)辟了一條新的路徑。
論文通訊作者胡衛(wèi)進(jìn)研究員科普解讀說(shuō)，一秒“冰火淬煉”工藝技術(shù)成功將材料在高溫下的特殊結(jié)構(gòu)“凍結(jié)”在室溫，形成尺寸不到3納米的納米微疇。這些微小的結(jié)構(gòu)如同一個(gè)精密的迷宮，正是誘導(dǎo)弛豫反鐵電行為，實(shí)現(xiàn)高效率儲(chǔ)能的關(guān)鍵。
同時(shí)，“閃速退火”還讓薄膜的“肌理”更加致密均勻，并有效鎖住容易揮發(fā)的鉛元素，從根源上減少材料缺陷，顯著降低漏電流。這些因素的共同作用，使得薄膜既能承受極高的電壓，又能獲得很高的極化強(qiáng)度，最終將薄膜電容器的儲(chǔ)能密度提升至63.5焦耳每立方厘米。
胡衛(wèi)進(jìn)指出，更令人振奮的是，利用一秒“冰火淬煉”工藝制造出的薄膜電容器，還展現(xiàn)出卓越的環(huán)境適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)表明，從低至零下196攝氏度(液氮溫度)的極寒，到高達(dá)400攝氏度的酷熱，其儲(chǔ)能密度和效率的衰減都很微弱(低于3%)。這意味著，無(wú)論是在冰冷的外太空，還是在火熱的地下油氣勘探井，它都能穩(wěn)定可靠地工作。
據(jù)悉，在脈沖激光器、新能源汽車等功率電子器件中，有一類名為“電介質(zhì)儲(chǔ)能電容器”的元件至關(guān)重要，它們以極高的功率快速充放電，并且極其耐用。
科學(xué)家們一直面臨一個(gè)難題：如何讓這類電容器在保持強(qiáng)大儲(chǔ)能能力的同時(shí)，還能經(jīng)受住從極寒到酷熱的極端溫度考驗(yàn)，并且易于大規(guī)模生產(chǎn)？傳統(tǒng)方法是通過(guò)混合多種成分、組織結(jié)構(gòu)或引入特定缺陷，來(lái)制造具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的材料。此前，這個(gè)過(guò)程往往非常復(fù)雜，限制高性能電介質(zhì)薄膜的大規(guī)模制造。(完)