近日，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携手合作者利赢汇，开发出一种热处理升降温速率可达每秒1000摄氏度的“闪速退火”工艺，成功制备出晶圆级高性能储能薄膜。相关成果于11月15日凌晨发表在《科学进展》期刊上，为下一代高性能储能电容器件的制造开辟了一条新路径。
科研人员介绍，在脉冲激光器、新能源汽车等应用的功率电子器件中，有一类名为“电介质储能电容器”的元件至关重要，它们以极高的功率快速充放电，并且极其耐用。然而，科学家们一直面临一个难题：如何让这些电容器在保持强大储能能力的同时，还能经受住从极寒到酷热的极端温度考验，并且易于大规模生产。
此次研究中，利用“闪速退火”工艺，研究人员可仅用1秒钟，就能在硅晶圆上制备出一种名为锆酸铅的弛豫反铁电薄膜。据介绍，这项工艺技术可以将材料在高温下的特殊结构“冻结”在室温，形成了尺寸不到3纳米的纳米微畴。这些微小的结构如同一个精密的迷宫，是诱导弛豫反铁电行为，实现高效率储能的关键。同时，“闪速退火”还让薄膜的“肌理”更加致密均匀，并有效锁住了容易挥发的铅元素，从根源上减少了材料缺陷，显著降低了漏电流。
利用该工艺制造出的薄膜电容器展现出了卓越的环境适应性。实验表明，经过低至零下196摄氏度（液氮温度）的极寒，到高达400摄氏度的酷热循环后，其储能密度和效率的衰减很微弱（低于3%）。这意味着，无论是在冰冷的外太空，还是在火热的地下油气勘探井，它都能稳定可靠地工作。
目前，研究人员已经初步能在2英寸的硅晶圆上成功制备出均匀的高性能薄膜，为芯片级集成储能提供了具备工业化潜力的解决方案。
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