一秒冰火淬炼！-196℃到400℃都不怕，这块薄膜是储能界的“变形金刚” -山东化工网

一秒冰火淬炼！-196℃到400℃都不怕，这块薄膜是储能界的“变形金刚”

文章来源：贤集网更新时间：2025-11-28 15:51:35

11月15日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心胡卫进研究员团队联合多家科研单位，在国际学术期刊《科学进展》（Science Advances）在线发表研究成果，宣布成功开发一种热处理升降温速率高达每秒1000摄氏度的“闪速退火”工艺，并基于该技术在1秒内于硅晶圆上制备出高性能锆酸铅弛豫反铁电薄膜。

该成果解决了电介质储能电容器长期面临的高储能密度、宽温域稳定性与可规模化制造三者难以兼顾的核心难题，为芯片级集成储能器件提供了具备工业化前景的新路径。

超快热循环机制

传统退火工艺通常依赖缓慢升温与冷却过程，以实现材料晶格结构的有序重构。然而，对于含铅铁电材料如锆酸铅（PbZrO₃），高温下易发生铅元素挥发，导致成分偏离化学计量比，进而诱发大量点缺陷与漏电流。此外，缓慢冷却过程难以保留高温相结构，限制了功能性微畴的形成。

研究团队提出的“闪速退火”工艺，通过毫秒级精准控温系统，使样品在1秒内完成从室温升至约700℃再迅速冷却的全过程。这一极端非平衡热历史，使得材料在高温下形成的亚稳态结构被“冻结”至室温，避免了常规退火中因缓慢冷却引发的相变失稳与成分偏析。关键在于，该工艺并非简单加速热处理，而是通过精确调控升温速率、峰值温度与冷却斜率，构建出一种可控的非平衡结晶路径。

实验表明，当升降温速率超过每秒500℃时，锆酸铅薄膜开始出现明显的弛豫反铁电特征；而当速率提升至每秒1000℃，其介电响应展现出典型的频率色散行为，证实了纳米尺度极性微畴的形成。这种超快热循环机制有效抑制了晶粒异常长大，同时锁定了铅元素，显著降低了氧空位等本征缺陷浓度。

纳米微畴构筑原理

弛豫反铁电体区别于传统铁电体的核心在于其局域极性结构的无序性与动态性。在锆酸铅体系中，理想反铁电相具有交替排列的偶极子，宏观极化为零；而弛豫行为则源于化学或结构无序引入的局部极性区域——即纳米微畴。

“闪速退火”工艺的关键创新在于，通过极速冷却将高温下短暂存在的极性涨落“固化”为尺寸小于3纳米的稳定微畴。这些微畴在空间上随机分布，但具备短程有序性，形成类似迷宫的复杂能量势垒网络。在外加电场作用下，微畴可发生可逆翻转，产生高极化强度，同时因缺乏长程铁电序而避免高矫顽场，从而实现低损耗、高效率的能量存储与释放。

透射电子显微分析显示，经闪速退火处理的薄膜中未观察到明显晶界或第二相，晶格条纹连续且衍射斑点弥散，符合弛豫反铁电体的典型微观特征。同步辐射X射线散射进一步证实，微畴尺寸分布集中于2–3纳米区间，且密度均匀，覆盖整个薄膜厚度方向。这种高度均质的纳米结构是实现高储能密度的基础。

值得注意的是，微畴的形成并非依赖掺杂或异质界面工程，而是纯粹由热力学非平衡路径驱动，这极大简化了材料设计复杂度，为其他功能氧化物体系的微结构调控提供了新范式。

宽温域性能验证

电介质储能电容器的实际应用场景常面临极端温度环境，如航天器在深空运行时遭遇液氮温区（-196℃），或油气勘探设备在井下承受400℃高温。传统储能材料在此类条件下往往出现介电常数骤降、漏电流激增或击穿场强衰减等问题。

研究团队对闪速退火制备的锆酸铅薄膜电容器进行了全温域性能测试。结果显示，在-196℃至400℃范围内，其储能密度波动幅度小于3%，充放电效率始终保持在85%以上。即使经历多次高低温循环冲击，电学性能无明显退化，展现出优异的热机械稳定性。

该性能优势源于两方面：其一，致密均匀的薄膜结构有效抑制了热应力诱导的裂纹扩展；其二，纳米微畴本身具有较高的激活能垒，使其在低温下仍能维持动态极化响应，而在高温下不易发生热扰动导致的结构坍塌。此外，铅元素的有效封存避免了高温挥发引起的界面劣化，从根本上提升了器件可靠性。

对比现有商用钛酸钡基或聚合物基电容器，该薄膜在相同体积下储能密度提升近一个数量级，且无需复杂的多层堆叠或封装工艺，具备直接集成于硅基芯片的潜力。

晶圆级集成路径

实现从实验室样品到产业应用的关键在于工艺的可扩展性与兼容性。研究团队已成功在2英寸硅晶圆上制备出大面积均匀的锆酸铅薄膜，膜厚控制精度达±5%，介电性能片内偏差低于4%。该工艺采用标准磁控溅射沉积前驱体，随后仅需一次闪速退火步骤，无需光刻、刻蚀或多步热处理，流程简洁，与现有半导体制造产线高度兼容。

更重要的是，“闪速退火”设备可基于快速热处理（RTP）平台改造，无需引入昂贵激光或等离子体系统，大幅降低产业化门槛。初步成本估算表明，若推广至8英寸晶圆，单片制造成本可控制在现有高性能电容器的1.5倍以内，而性能提升超过5倍，具备显著经济优势。

未来，该技术可拓展至其他钙钛矿氧化物体系，如铌酸锶钡、钛酸铋钠等，用于构建多功能集成器件。在新能源汽车、5G基站、脉冲功率系统及空间电源等领域，此类高密度、高可靠、宽温域的片上储能单元将填补现有技术空白，推动功率电子向微型化、智能化演进。

综上所述，一秒“冰火淬炼”不仅是一项材料制备工艺的突破，更代表了一种通过极端非平衡过程调控功能材料微结构的新思路。其核心价值在于将高性能、高稳定性与可制造性统一于单一工艺节点，为下一代电介质储能技术提供了切实可行的工程解决方案。

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