作者信息
王大伟 教授 (哈尔滨工业大学)
哈尔滨工业大学长聘教授，博士生导师。先后入选科睿唯安全球高被引科学家名单、全球前2%顶尖科学家榜单。主持国家自然科学基金等项目10余项。目前担任Journal of the American Ceramic Society 等多个国际期刊的副主编或编委。中国仪表功能材料学会电子元器件关键材料与技术专业委员会资深常务委员、中国电子材料与元器件产学研协同创新平台理事。从事新型能量传输、存储、转换、收集用先进电子材料及相关元器件研究，以第一或通讯作者身份在Chemical Reviews、Nature Communications、Physical Review Letters、Advanced Materials 等国际期刊发表学术论文100余篇，同行引用超过1万次，谷歌学术h指数70。申请及授权国内外发明专利20项。
王军军 副教授 (哈尔滨理工大学)
王军军，哈尔滨理工大学副教授，理学院物理系主任，硕士生导师，黑龙江省高等教育学会物理专业委员会委员。参与完成国家自然科学基金面上项目两项，主持、参与完成省部级项目5项目。目前担任Chemical Engineering Journal、Ceramics International 和Journal of Materials Science 等国际期刊审稿人。从事无铅压电材料、储能材料和相关器件研究，以第一作者或通讯作者在Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics、Ceramics International、Journal of Alloys and Compounds 等国际期刊发表学术论文30余篇。申请及授权发明专利10项。
宋玉莹 (哈尔滨理工大学)
哈尔滨理工大学理学院硕士研究生，专注于电介质薄膜材料储能性能研究。以第一作者身份发表SCI论文1篇。
岳文锋 (哈尔滨工业大学)
哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院博士研究生，主要从事电介质薄膜材料及器件的研究工作。目前以第一作者身份发表SCI论文5篇，EI论文3篇，中文核心论文1篇，申请发明专利3项，其中3项已授权。
文章导读
随着电子电力系统向高集成度、高功率密度快速发展，对储能元件的性能要求日益严苛。介质电容器因其超快充放电速度和高功率密度，成为高功率储能器件的重要候选。然而，其能量密度低、热稳定性差的问题长期制约其实际应用。如何在保持高击穿场强的同时提升极化强度，是该领域的核心挑战。
哈尔滨工业大学王大伟教授团队联合哈尔滨理工大学王军军副教授团队在 Ceramics 期刊发表文章“Effect of Annealing Temperature on Energy Storage Performance of SrBi₃.₂₅La₀.₇₅Ti₄O₁₅ Thin Films”，通过溶胶-凝胶法制备不同退火温度的SBLT薄膜，系统研究了退火温度对微观结构演化、电学性能及储能特性的影响。研究表明，700 ℃退火的SBLT薄膜在极化强度与击穿场强之间实现了最佳平衡，储能密度高达48.66 J/cm³，储能效率为78%，并兼具优异的温度稳定性 (30~175 ℃) 与频率稳定性 (0.1~100 kHz)。该工作为通过调控结晶-非晶比例优化储能性能提供了有效策略。
研究过程与结果
研究团队采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上制备了SBLT薄膜，并分别在550 ℃至800 ℃范围内进行退火处理。XRD结果表明，550 ℃退火时薄膜主要为非晶态，仅在30~35°出现宽泛的弥散衍射峰；随退火温度升高，衍射峰逐渐锐化 (图1a)，结晶度从550 ℃的3%单调增至800 ℃的62% (表1)。低角度区域放大图谱 (图1b) 清晰显示，随温度升高，层状结构特征衍射峰逐渐出现并增强，证实了有序层状结构的形成。
图1. 不同退火温度下SBLT薄膜的 (a) XRD图谱和 (b) 局部放大图。
表1. 不同温度下退火的SBLT薄膜的结晶度。
SEM图像 (图2) 显示，550 ℃退火时薄膜表面平整光滑，无明显晶粒；随退火温度升高，晶粒逐渐形成并长大，800 ℃时表面呈现清晰的晶粒与晶界结构。
图2. 不同退火温度下SBLT薄膜的表面与截面形貌：(a) 550 ℃；(b) 600 ℃；(c) 650 ℃；(d) 700 ℃；(e) 750 ℃；(f) 800 ℃。
EDX分析表明，700 ℃退火样品元素分布均匀 (图3a)；随温度升高，Bi含量逐渐降低，高温下存在Bi挥发 (图3b)，尤其在750~800 ℃时下降更为显著，表明高温下Bi挥发加剧，可能导致氧空位浓度升高，影响薄膜电学性能。
图3. (a) 700 ℃退火SBLT薄膜的EDX元素分布图；(b) 不同退火温度下薄膜中Bi含量变化。
介电性能方面，介电常数随退火温度升高从68增至329，除800 ℃样品外损耗均低于0.02 (图4a–c)。700 ℃样品在30~200℃范围内介电性能稳定，热稳定性优异 (图4d)。
图4. SBLT薄膜的 (a) 介电常数频率谱；(b) 介电损耗频率谱；(c) 1 kHz下介电常数与损耗随退火温度变化；(d) 700 ℃退火样品介电性能随温度变化。
击穿场强Weibull分布分析 (图5a) 显示，所有样品形状因子β均大于9.4，拟合可靠性高。击穿场强随退火温度升高先增后减，700 ℃时达到最大值3410 kV/cm。漏电流密度在300 kV/cm电场下呈现相同趋势 (图5b)，700 ℃时最低，归因于致密性最佳、缺陷浓度低。
图5. (a) 不同退火温度下SBLT薄膜的Weibull击穿场强分布；(b) 漏电流密度曲线。
储能性能方面，图6a展示了不同退火温度下薄膜在1000 kV/cm、10 kHz条件下的单极P-E 回线。随退火温度升高，铁电性增强。图6b为各样品在各自最大电场下的P-E 回线，图6c对比了最大极化、剩余极化及ΔP。700 ℃和750 ℃样品具有较大的ΔP，有利于提升储能密度，但750 ℃样品因漏电流较大限制了击穿场强。图6d为储能密度与效率随电场变化曲线，700 ℃样品综合性能最优，实现了48.66 J/cm³的高储能密度与78%的储能效率。
图6. (a) 1000 kV/cm下不同退火温度SBLT薄膜的P-E 回线；(b) 各自最大电场下的P-E 回线；(c) Pmax、Pr、ΔP 对比；(d) 储能密度与效率随电场变化
对700 ℃退火样品进一步评估其储能性能的可靠性 (图7)。在2000 kV/cm电场下，频率从100 Hz增至100 kHz时，储能密度与效率分别提升2.1 J/cm³和9.6% (图7a、b)，表现出良好的频率稳定性。温度从30 ℃升至175 ℃时，储能密度降低5.18 J/cm³，效率下降18.3% (图7c、d)。整体而言，700 ℃退火SBLT薄膜在宽频宽温范围内保持了优异的储能稳定性。
图7. 700 ℃退火SBLT薄膜的 (a) 不同频率下P-E 回线；(b) 储能密度与效率随频率变化；(c) 不同温度下P-E 回线；(d) 储能密度与效率随温度变化。
研究总结
本文通过溶胶-凝胶法制备了不同退火温度的SBLT薄膜，系统研究了退火温度对微观结构、介电性能与储能特性的影响。研究表明，退火温度决定了薄膜的结晶度与致密性，进而影响介电常数、击穿场强与漏电流行为。700 ℃退火样品在结晶度与致密性之间取得最佳平衡，具有最高的击穿场强 (3410 kV/cm)、最低的漏电流密度，同时保持了适中的极化强度，最终实现48.66 J/cm³的高储能密度与78%的储能效率。此外，该样品在0.1~100 kHz频率范围和30~175 ℃温度范围内均表现出优异的性能稳定性。该工作表明，通过调控退火温度优化结晶-非晶比例，是提升介质电容器储能性能的有效策略，为下一代高性能储能器件的开发提供了重要参考。
阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2571-6131/9/2/20
Ceramics 期刊介绍
主编：Prof. Dr. Gilbert Fantozzi, MATEIS Laboratory UMR CNRS 5510, France
期刊主题包括但不限于：非晶陶瓷和结晶陶；生物陶瓷和陶瓷在生物学中的应用；陶瓷加工方法和制造；陶瓷材料的结构与微观结构研究；陶瓷的机械、电气、光学、磁性或热性能；陶瓷的热力学、动力学、化学和热稳定性；陶瓷在能源、电子、光子学和磁学中的应用等。
2024 Impact Factor：2.0
2024 CiteScore：3.7
Time to First Decision：20.4 Days
Acceptance to Publication：2.8 Days
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/ceramics
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