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中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心胡衛(wèi)進(jìn)研究員團(tuán)隊聯(lián)合國內(nèi)外科研力量，成功開發(fā)出熱處理升降溫速率達(dá)每秒1000攝氏度的“閃速退火”工藝，并基于該技術(shù)首次在2英寸硅晶圓上制備出均勻的高性能弛豫反鐵電儲能薄膜。這一突破性成果于2025年11月15日凌晨發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances），為下一代功率電子器件的儲能技術(shù)提供了工業(yè)化解決方案。 傳統(tǒng)電介質(zhì)儲能薄膜的制備需通過多相復(fù)合或化學(xué)摻雜引入納米疇結(jié)構(gòu)，但工藝復(fù)雜且難以兼顧大規(guī)模生產(chǎn)與極端環(huán)境適應(yīng)性。胡衛(wèi)進(jìn)團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出利用超快結(jié)晶過程“凍結(jié)”高溫相結(jié)構(gòu)，開發(fā)出“閃速退火”工藝。該技術(shù)通過每秒千攝氏度的極速升降溫，將鋯酸鉛（PbZrO₃）薄膜在高溫順電相形成的短程有序納米疇（尺寸<3納米）直接保留至室溫，形成類似“精密迷宮”的微觀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)出關(guān)鍵的弛豫反鐵電行為，使薄膜在極化強(qiáng)度與擊穿電場強(qiáng)度上實現(xiàn)突破，儲能密度達(dá)63.5焦耳每立方厘米，較傳統(tǒng)材料提升數(shù)倍。 實驗數(shù)據(jù)顯示，基于“閃速退火”工藝制備的薄膜電容器展現(xiàn)出驚人的環(huán)境耐受性。在零下196攝氏度（液氮溫度）至400攝氏度的極端溫度循環(huán)測試中，其儲能密度與充放電效率衰減均低于3%。這一特性使其成為深空探測、地下油氣勘探等場景的理想選擇。例如，在火星探測任務(wù)中，設(shè)備需在晝夜溫差超200攝氏度的環(huán)境中持續(xù)工作；而在地?zé)岚l(fā)電領(lǐng)域，電子元件需承受井下400攝氏度的高溫考驗，傳統(tǒng)電容器在此類場景下易因熱膨脹失配或材料降解失效，而新型薄膜電容器則可穩(wěn)定運行。 團(tuán)隊通過優(yōu)化工藝參數(shù)，首次在2英寸硅晶圓上實現(xiàn)了弛豫反鐵電薄膜的均勻制備。該成果不僅驗證技術(shù)的可擴(kuò)展性，更為芯片級集成儲能提供了工業(yè)化路徑。研究顯示，“閃速退火”工藝通過抑制鉛元素?fù)]發(fā)，將薄膜漏電流降低至傳統(tǒng)工藝的1/10以下，同時晶粒排列致密化使小角晶界數(shù)量增加，進(jìn)一步提升了材料的機(jī)械穩(wěn)定性與循環(huán)壽命。此外，該技術(shù)對經(jīng)典鐵電材料（如鋯鈦酸鉛PZT）同樣適用，可將其儲能性能提升五倍，展現(xiàn)出普適性價值。 該研究由金屬所李異卓副研究員、山東大學(xué)宋克鵬研究員及金屬所博士研究生朱美雄共同完成，金屬所王宇佳研究員提供計算模擬支持，李昺研究員與西安交通大學(xué)王志宏教授負(fù)責(zé)材料表征與器件測試。研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目資助，并依托上海同步輻射光源完成關(guān)鍵結(jié)構(gòu)解析。團(tuán)隊已著手與半導(dǎo)體企業(yè)合作，推進(jìn)6英寸晶圓產(chǎn)線驗證，預(yù)計三年內(nèi)實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。 “這一成果標(biāo)志著我國在電介質(zhì)儲能材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從跟跑到領(lǐng)跑的跨越。”清華大學(xué)材料學(xué)院教授李明指出，“閃速退火工藝通過精準(zhǔn)控制納米疇結(jié)構(gòu)，解決了長期困擾行業(yè)的‘不可能三角’——高儲能密度、寬溫域穩(wěn)定性與大規(guī)模制備的兼容性問題。”隨著新能源汽車、5G通信等產(chǎn)業(yè)對功率電子器件性能要求的提升，該技術(shù)有望推動儲能電容器向更輕量化、更高集成度的方向發(fā)展，為全球能源轉(zhuǎn)型提供關(guān)鍵材料支撐。 |
