【原】西安交大《AFM》：高储能密度外延(111)取向BTO薄膜夹层！

超高功率密度的介质材料在便携式电子产品、混合动力汽车和先进的推进系统中得到了广泛的应用。在过去的几十年里，具有高击穿强度(E_b)和高最大电位移(D_max)的无机/有机介电复合材料引起了人们的极大关注。无机纳米薄片快速充放电聚合物基复合材料由于减少了薄膜的团聚和导电势垒的形成而受到广泛关注，为实现高储能密度(U)提供了一条更有效的途径。然而，导电路径有机会绕过微米大小的纳米薄片，沿着平面外的方向延伸。

 

来自西安交通大学的学者采用优化的转移和热压工艺，将(111)取向的BaTiO₃(BTO)薄膜嵌入到聚偏氟乙烯(PVDF)中，获得了具有良好外延性和铁电性的大尺寸BaTiO₃(BTO)薄膜。由两层BTO(每层厚度约为222.6.2µm)夹层的2D-2D(2-2)型BTO/PVDF复合材料在690MV m^-1处的U最高为20.7J cm^-3，是纯PVDF的1%。相场模拟表明，作为外层的高阻PVDF薄膜可以防止电极的电荷注入，而作为内层的高介电常数薄膜可以有效地抑制跨层间界面的移动电荷，导致击穿强度的显著提高。这项工作提出了一种可扩展的方法来提高无机/有机复合材料的U，用于先进的储能材料和应用。相关文章以“2–2 Type PVDF-Based Composites Interlayered by Epitaxial (111)-Oriented BTO Films for High Energy Storage Density”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https:///10.1002/adfm.202108496

图1.自立式(111)取向BTO薄膜的基本特性。a)自立式(111)取向BTO薄膜的制造工艺示意图。b)Si衬底上转移的BTO薄膜的光学图像。c)Si衬底上生长的BTO/SAO/STO异质结和转移BTO薄膜的XRD图谱。d)用Lacey碳膜在铜栅上转移BTO薄膜的高分辨透射电镜(HRTEM)图像。插图是该胶片的SAED模式。e)不同电场下Au/Si衬底上转移的BTO薄膜的D-E环。

 

图2.三明治结构BTO/PVDF复合材料的基本特性。a)(111)取向BTO薄膜夹层结构BTO/PVDF复合材料的制备工艺示意图。b)在Au/Si衬底上制备了纯PVDF薄膜和BTO/PVDF复合材料的XRD图谱。c)具有不同厚度的BTO薄膜的剥离BTO/PVDF复合材料的光学图像。d)BTO/PVDF复合材料的横截面扫描电镜图像和相应的EDS图谱。

 

图3.三明治结构BTO/PVDF复合材料的储能性能。a)介电常数和介电损耗的频率依赖性，b)E_b和β，c)漏电流密度随外加电场的变化，d)不同薄膜厚度的三明治结构BTO/PVDF复合材料的U .

 

图4.多层BTO/PVDF复合材料的表征和储能性能。a)截面扫描电镜图像，b)临界电场下的D-E曲线，c)不同BTO层数的多层BTO/η复合材料的U。d)本研究与其他已报道研究中的U对比图。

 

图5.PVDF和2-2型BTO/PVDF复合材料的相场模拟。研究了a)纯PVDF、b)1层BTO/PVDF和c)2层BTO/PVDF复合材料的电场分布和击穿路径。

 

综上所述，本文采用优化转移和热压方法设计并制备了外延(111)取向BTO夹层的2-2型BTO/PVDF复合材料。在双层BTO(每层厚0.2µm)的多层复合材料中，由于D_max和E_b的同时提高，本文获得了最高的U值20.7J cm^-3。D_max的提高主要归功于单晶BTO薄膜优异的铁电性。E_b的增强可以用BTO层和PVDF层之间2-2型界面上的退极化电场抑制界面上的移动电荷来解释，这一事实与相场模拟的结果是一致的。结果表明，BTO层和PVDF层之间的2-2型界面上的去极化电场抑制了界面上的移动电荷，这与相场模拟的结果一致。今后，该制备工艺还可用于开发单晶钙钛矿薄膜夹层的2-2型复合材料，如SrTiO₃、BiFeO₃等，这种复合材料可以进一步提高U，可应用于电子和电力系统。（文：SSC）

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