一秒打造‘冰火’奇迹：晶圆级能量存储电容器的诞生

由中国科学院金属研究所胡伟进教授领导的研究团队，与合作伙伴共同开发了一种在一秒内制造晶圆级能量存储电容器的方法，实现了惊人的加热和冷却速率，最高可达每秒1000°C。

这项工作于11月15日在Science Advances上发表，介绍了一种快速的“闪退火”技术，为制造下一代高性能能量存储电容器开辟了新方向。

电介质能量存储电容器在关键的电力电子设备中发挥着不可或缺的作用，从脉冲激光器到电动汽车，这是因为它们能够快速充放电，同时承受极端的工作条件。然而，科学家们长期以来一直在努力解决一个根本性的问题，即开发能够提供高能量存储容量、能够在极端高温和极端低温下都能耐受的电容器，并且仍然能够适应大规模生产。

传统的制造方法通常依赖于化学掺杂、多相成分或故意引入结构缺陷来制造具有特定微观结构的材料。这些过程复杂且耗时，阻碍了高性能电介质薄膜的规模化生产。

这种新的“闪退火”方法通过实现每秒高达1000°C的加热和冷却速率，突破了这些限制，使得在硅晶圆上仅用一秒钟就能合成松弛型反铁电材料铅锆酸盐薄膜。

那么，这种一秒钟的“冰火”锻造到底有什么魔力呢？

研究人员表示，这种技术有效地在室温下“冻结”了材料的高温顺电相的结构，形成了小于3纳米的纳米区域。这些微小的结构就像一个复杂的迷宫，是激发高性能松弛反铁电特性的关键。与此同时，闪烁退火过程使薄膜的纹理更加致密和均匀，并有效抑制了挥发性铅元素的流失。

这些改进使薄膜能够承受极高的电场，同时实现强烈的极化，最终使电容器的能量存储密度提升到63.5 J/cm³。

更令人瞩目的是，采用这种方法生产的电容器展现出的卓越的热稳定性。测试表明，在经历从-196°C（液氮温度）到高达400°C的极端热循环后，能量存储密度和效率的降解仍然保持在最低水平，低于3%。因此，这种电容器可以在从外太空的冰冷到地下石油勘探井的高温环境中可靠运行。

这项技术不仅易于实施，而且具有可扩展性。团队已经在两英寸的硅晶圆上成功生产出均匀的高性能薄膜，为芯片集成的能量存储解决方案提供了可行的工业发展路径。