本發(fā)明屬于薄膜材料及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種高耐壓低漏導(dǎo)的氧化鋁基電介質(zhì)薄膜，可用于高壓、高儲能密度固態(tài)電介質(zhì)電容器。

背景技術(shù)：

當今世界，環(huán)境污染和能源危機已經(jīng)成為威脅人類生存和發(fā)展的頭等大事，如何解決這一問題是全人類所必須共同面對的挑戰(zhàn)。一方面，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，不斷加大對綠色可再生新能源的開發(fā)利用已經(jīng)成為共識。另一方面，采用新技術(shù)，新工藝，不斷提高能源的利用效率，緩解能源供需矛盾也是不容忽視的問題。特別對于那些受到自然條件限制的可再生新能源，如水力、太陽能、風(fēng)能等，將剩余的潔凈能源存儲起來變得尤為重要。因此儲能相關(guān)的技術(shù)成為了當今世界的重要研究課題。

電容器作為一種儲能手段，在電子電路中得到廣泛應(yīng)用。電容器通常具有充放速快、抗循環(huán)老化性能穩(wěn)定等優(yōu)點，并廣泛應(yīng)用于通訊設(shè)備、儀表儀器、電子電力系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，電容器小型化、低成本、高穩(wěn)定性、高能量密度是現(xiàn)代化電容器發(fā)展的必然趨勢。對于氧化鋁等線性電介質(zhì)，以其作為介質(zhì)的電容器的儲能密度與擊穿場強的平方成正比。因此，要想獲得高儲能密度的電容器，提高擊穿場強，獲得高耐壓的電介質(zhì)是必然選擇。此外,提高電容器的耐擊穿性能可有效擴大其應(yīng)用范圍。然而在電容器的制造和使用過程中，介質(zhì)膜不可避免地會出現(xiàn)各種各樣的缺陷，這種缺陷的存在勢必會影響電容器的電學(xué)性能，例如裂化擊穿場強。因此，減少介質(zhì)膜的缺陷是實現(xiàn)介質(zhì)膜在強場下工作的關(guān)鍵技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種具有高耐壓、低漏導(dǎo)的高儲能密度電容器用氧化鋁基電介質(zhì)薄膜。

本發(fā)明的另一個目的是提供上述氧化鋁基電介質(zhì)薄膜的制備方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

高儲能密度電容器用氧化鋁基電介質(zhì)薄膜，其化學(xué)組成成分為Al₂Bi_2-xSi_yO_z，其中x＝0.005～0.1,y＝0.02。

高儲能密度電容器用氧化鋁基電介質(zhì)薄膜的制備方法，采用以下步驟：

(1)將異丙醇鋁研磨后加入到乙二醇乙醚中超聲分散10～30min，并于70～80℃恒溫攪拌0.5h～1h；

(2)將步驟(1)所得的溶液中加入五水合硝酸鉍，70～80℃恒溫攪拌0.5h～1h；

(3)向步驟(2)所得的溶液加入正硅酸乙酯，在70～80℃恒溫攪拌0.5h～1h；

(4)向步驟(3)所得的溶液加入乙酰丙酮，在70～80℃恒溫攪拌0.5h～1h；

(5)向步驟(4)所得的溶液加入冰醋酸，于90～100℃恒溫攪拌0.5h～1h，待反應(yīng)結(jié)束后，逐漸冷卻至室溫，過濾，制得氧化鋁基溶膠前驅(qū)體；

(6)將步驟(5)制得的氧化鋁基溶膠前驅(qū)體涂覆在鍍鉑金的硅襯底上，并進行熱處理，制得1層氧化鋁基薄膜；

(7)重復(fù)步驟(6)5-9次后，經(jīng)退火處理制得氧化鋁基電介質(zhì)薄膜。

步驟(1)中異丙醇鋁與乙二醇乙醚的比例為0.02～0.04mol：50～100ml。

五水合硝酸鉍添加量與異丙醇鋁的摩爾比為(0-10)：100，但不為0。

異丙醇鋁、正硅酸乙酯及乙酰丙酮的摩爾比為0.02～0.04：0.02～0.04：0.02～0.04。

步驟(5)中加入的冰醋酸與乙酰丙酮的比例為10～20ml：0.02～0.04mol。

步驟(6)采用快速熱處理爐或管式爐進行熱處理，熱處理條件為在150℃處理2～10min，再升溫至350℃處理2～10min，然后升溫至450℃處理2～10min。

步驟(7)采用馬弗爐進行退火處理，控制升溫速率為3℃/min，在450℃下保溫3h，制備得到的氧化鋁基電介質(zhì)薄膜的厚度為180～300nm。

將制備的薄膜進行切割、后在上面鍍一層金屬薄膜，作為電極?？傻玫胶喴椎钠叫邪咫娙輼悠?。

本發(fā)明以氧化鋁膠體為基礎(chǔ)，在此之上添加起穩(wěn)固結(jié)構(gòu)的硅元素，再在此基礎(chǔ)上添加極化元素鉍。本發(fā)明的優(yōu)勢在于本發(fā)明的氧化鋁基電介質(zhì)薄膜具有高耐壓、低漏導(dǎo)，介電常數(shù)高于傳統(tǒng)氧化鋁等優(yōu)良的介電性能。由于實現(xiàn)了氧化鋁薄膜作為高儲能密度電容器的可能性。同時，制備工藝簡單，時間周期短，易于大批量生產(chǎn)。

制備得到的薄膜的擊穿場強可達到550MV/m，擊穿之前漏導(dǎo)低于1μA，并且介電常數(shù)高于未改性過的氧化鋁電介質(zhì)薄膜，介電性能穩(wěn)定。

附圖說明

圖1為實施例1制備得到產(chǎn)品的熱分析圖；

圖2為實施例1制備得到產(chǎn)品的原子力顯微表面形貌圖；

圖3為實施例1制備得到產(chǎn)品的I-V特性曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

制作210nm厚氧化鋁基薄膜：

制作氧化鋁基薄膜的步驟如下：

在鍍Pt硅片表面采用旋涂法制備210nm水合氧化鋁電介質(zhì)薄膜，采用以下工藝步驟：

先將0.02mol異丙醇鋁研磨，然后加入50ml乙二醇乙醚中超聲10min，70℃攪拌30分鐘；加入0.005mol五水合硝酸鉍，70℃攪拌30分鐘；加入0.02mol正硅酸乙酯，70℃攪拌30分鐘；0.02mol乙酰丙酮，繼續(xù)攪拌30分鐘；最后加入10ml冰醋酸，在90℃攪拌30分鐘，逐漸冷卻至室溫，最后過濾得到60ml溶膠前驅(qū)體。將配制的膠體做熱分析，數(shù)據(jù)如圖1所示。樣品的結(jié)晶溫度為924℃，說明具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。將表面清潔干燥的鍍Pt硅片樣品置于勻膠機上，隨后在基片表面滴取溶膠前驅(qū)體，在3000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下將溶膠均勻涂覆在基片表面，接著將樣品置于快速熱處理爐進行干燥熱處理，預(yù)干燥處理的工藝條件為150℃處理2分鐘，350℃處理2分鐘，450℃處理2分鐘，達到7層后，將制備得到所需厚度無定型氧化鋁置于在馬弗爐中熱處理3h，所需的退火設(shè)備為馬弗爐，退火制度為升溫速率為3℃/min，在450℃下保溫3h。

在氧化鋁基薄膜樣品表面采用真空蒸鍍設(shè)備制備直徑為1毫米，厚度為120納米的鋁膜，研究氧化鋁基薄膜的擊穿場強和漏導(dǎo)。

圖2所示為樣品的原子力顯微表面貌圖，圖中無明顯的晶粒，且起伏較小(在-1.3nm到1.4nm之間)，表明所制備的薄膜致密均勻。(薄膜表面致密均勻，是不易看出的區(qū)別的，在此我換做表面的原子力表面形貌圖)

圖3所示為樣品的I-V特性曲線，圖中漏電流隨著電壓的增加而逐漸增大，在60V左右電流達到1μA左右。此后電流隨著電壓無明顯改變，直至在140V擊穿。表面制備的薄膜耐壓高，漏導(dǎo)低。

實施例2

制作210nm厚氧化鋁基薄膜：

制作氧化鋁基薄膜的步驟如下：

在鍍Pt硅片表面采用旋涂法制備210nm水合氧化鋁電介質(zhì)薄膜，具體如下：

先將0.04mol異丙醇鋁研磨，然后加入100ml乙二醇乙醚中超聲10min，70℃攪拌30分鐘；加入0.01mol五水合硝酸鉍，70℃攪拌30分鐘；加入0.04mol正硅酸乙酯，70℃攪拌30分鐘；0.04mol乙酰丙酮，繼續(xù)攪拌30分鐘；最后加入20ml冰醋酸，在90℃攪拌30分鐘，逐漸冷卻至室溫，最后過濾得到120ml溶膠前驅(qū)體。

甩制膠體熱處理得到薄膜，在制得薄膜的表面鍍一層120nm的鋁膜，用于測試擊穿場強和漏導(dǎo)。上述步驟與實施例1相同。

實施例3

制作270nm厚氧化鋁基薄膜：

制作氧化鋁基薄膜的步驟如下：

在鍍Pt硅片表面采用旋涂法制備270nm水合氧化鋁電介質(zhì)薄膜。具體如下：

1)氧化鋁基膠體的配制同實施例2

2)氧化鋁基薄膜制備：

薄膜制備步驟如下:

將表面清潔干燥的鍍Pt硅片樣品置于勻膠機上，隨后在基片表面滴取溶膠前驅(qū)體，在3000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下將溶膠均勻涂覆在基片表面，接著將樣品置于快速熱處理爐進行干燥熱處理，預(yù)干燥處理的工藝條件為150℃處理2分鐘，350℃處理2分鐘，450℃處理2分鐘，達到9層后，將制備得到所需厚度無定型氧化鋁置于在馬弗爐中熱處理3h，所需的退火設(shè)備為馬弗爐，退火制度為升溫速率為3℃/min，在450℃下保溫3h。

甩制膠體熱處理得到薄膜，在制得薄膜的表面鍍一層120nm的鋁膜，用于測試擊穿場強和漏導(dǎo)。甩制薄膜及制作金膜步驟與實施例1相同。

實施例4

制作210nm厚氧化鋁基薄膜：

制作氧化鋁基薄膜的步驟如下：

在鍍Pt硅片表面采用旋涂法制備210nm水合氧化鋁電介質(zhì)薄膜，具體如下：

先將0.02mol異丙醇鋁研磨，然后加入50ml乙二醇乙醚中超聲10min，80℃攪拌30分鐘；加入0.05mol五水合硝酸鉍，80℃攪拌30分鐘；加入0.04mol正硅酸乙酯，80℃攪拌30分鐘；0.02mol乙酰丙酮，繼續(xù)攪拌30分鐘；最后加入10ml冰醋酸，在90℃攪拌30分鐘，逐漸冷卻至室溫，最后過濾得到60ml溶膠前驅(qū)體。

將表面清潔干燥的鍍Pt硅片樣品置于勻膠機上，隨后在基片表面滴取溶膠前驅(qū)體，在3000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下將溶膠均勻涂覆在基片表面，接著將樣品置于快速熱處理爐進行干燥熱處理，預(yù)干燥處理的工藝條件為150℃處理10分鐘，350℃處理10分鐘，450℃處理10分鐘，達到7層后，將制備得到所需厚度氧化鋁基薄膜置于在馬弗爐中熱處理3h，所需的退火設(shè)備為馬弗爐，退火制度為升溫速率為3℃/min，在450℃下保溫3h。

在氧化鋁基薄膜樣品表面采用真空蒸鍍設(shè)備制備直徑為1毫米，厚度為120納米的鋁膜，研究氧化鋁基薄膜的擊穿場強和漏導(dǎo)。

實施例5

高儲能密度電容器用氧化鋁基電介質(zhì)薄膜，其化學(xué)組成成分為Al₂Bi_2-xSi_yO_z，其中x＝0.005,y＝0.02，z＝6.0375(根據(jù)化合價計算的，請看是否正確)。

高儲能密度電容器用氧化鋁基電介質(zhì)薄膜的制備方法，采用以下步驟：

(1)將異丙醇鋁研磨后加入到乙二醇乙醚中超聲分散10min，異丙醇鋁與乙二醇乙醚的比例為0.02mol：100ml，并于70℃恒溫攪拌1h；

(2)將步驟(1)所得的溶液中加入五水合硝酸鉍，五水合硝酸鉍添加量與異丙醇鋁的摩爾比為1：100，70℃恒溫攪拌1h；

(3)向步驟(2)所得的溶液加入正硅酸乙酯，在70℃恒溫攪拌1h；

(4)向步驟(3)所得的溶液加入乙酰丙酮，在70℃恒溫攪拌1h，異丙醇鋁、正硅酸乙酯及乙酰丙酮的摩爾比為0.02：0.04：0.02；

(5)向步驟(4)所得的溶液加入冰醋酸，加入的冰醋酸與乙酰丙酮的比例為10ml：0.04mol，于90℃恒溫攪拌1h，待反應(yīng)結(jié)束后，逐漸冷卻至室溫，過濾，制得氧化鋁基溶膠前驅(qū)體；

(6)將步驟(5)制得的氧化鋁基溶膠前驅(qū)體涂覆在鍍鉑金的硅襯底上，并進行熱處理，采用快速熱處理爐或管式爐進行熱處理，熱處理條件為在150℃處理2min，再升溫至350℃處理2min，然后升溫至450℃處理2min，制得1層氧化鋁基薄膜；

(7)重復(fù)步驟(6)5-9次后，經(jīng)退火處理制得氧化鋁基電介質(zhì)薄膜，采用馬弗爐進行退火處理，控制升溫速率為3℃/min，在450℃下保溫3h，制備得到的氧化鋁基電介質(zhì)薄膜的厚度為180nm。

將制備的薄膜進行切割、后在上面鍍一層金屬薄膜，作為電極?？傻玫胶喴椎钠叫邪咫娙輼悠?。

實施例6

高儲能密度電容器用氧化鋁基電介質(zhì)薄膜，其化學(xué)組成成分為Al₂Bi_2-xSi_yO_z，其中x＝0.1,y＝0.02，z＝5.89(根據(jù)化合價計算的，請看是否正確)。

高儲能密度電容器用氧化鋁基電介質(zhì)薄膜的制備方法，采用以下步驟：

(1)將異丙醇鋁研磨后加入到乙二醇乙醚中超聲分散30min，異丙醇鋁與乙二醇乙醚的比例為0.04mol：50ml，并于80℃恒溫攪拌1h；

(2)將步驟(1)所得的溶液中加入五水合硝酸鉍，五水合硝酸鉍添加量與異丙醇鋁的摩爾比為10：100，80℃恒溫攪拌0.5h；

(3)向步驟(2)所得的溶液加入正硅酸乙酯，在80℃恒溫攪拌0.5h；

(4)向步驟(3)所得的溶液加入乙酰丙酮，在80℃恒溫攪拌0.5h，異丙醇鋁、正硅酸乙酯及乙酰丙酮的摩爾比為0.04：0.02：0.04；

(5)向步驟(4)所得的溶液加入冰醋酸，于100℃恒溫攪拌0.5h，加入的冰醋酸與乙酰丙酮的比例為20ml：0.02mol，待反應(yīng)結(jié)束后，逐漸冷卻至室溫，過濾，制得氧化鋁基溶膠前驅(qū)體；

(6)將步驟(5)制得的氧化鋁基溶膠前驅(qū)體涂覆在鍍鉑金的硅襯底上，并進行熱處理，采用管式爐進行熱處理，熱處理條件為在150℃處理10min，再升溫至350℃處理10min，然后升溫至450℃處理10min，制得1層氧化鋁基薄膜；

(7)重復(fù)步驟(6)5-9次后，經(jīng)退火處理制得氧化鋁基電介質(zhì)薄膜，采用馬弗爐進行退火處理，控制升溫速率為3℃/min，在450℃下保溫3h，制備得到的氧化鋁基電介質(zhì)薄膜的厚度為300nm。

將制備的薄膜進行切割、后在上面鍍一層金屬薄膜，作為電極?？傻玫胶喴椎钠叫邪咫娙輼悠贰?/p>

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。