具有高能量密度和高储能效率的介质电容器是通信、航空航天、消费电子、工业仪器及国防军工等领域的基础元器件之一，可运用于5G通信、集成电路、航空电子、可再生能源、电动汽车、电磁炮等诸多高科技领域。未来随着通信及电子设备朝着小型化、集成化、多功能化、轻量化的方向不断发展，对电容器提出了更高的要求，如微型化、可集成、高容量、高效率、低成本及可工作于恶劣环境等。Si是当前甚至未来集成电路和半导体器件的基本材料，如何在Si衬底上制备出高储能性能的薄膜电容器是目前研究的热点及难点。

针对上述问题，刘明教授团队采用原子层沉积（ALD）技术在Si衬底与铁电层之间生长了一层超薄的具有低介电常数、高击穿特性、高耐温的HfO₂缓冲层，并利用射频磁控溅射技术在缓冲层上生长了1 mol% SiO₂掺杂的无铅Ba(Zr_0.35Ti_0.65)O₃ (BZTS)薄膜。通过调控生长参数及结构设计使得Si基无铅BZTS薄膜电容器的击穿特性、宽温特性得到了大幅提升，最终实现室温下高的储能密度（93.48 J/cm³）及效率（71.44%），比未添加缓冲层的BZTS薄膜电容器储能密度提高约65%。同时，在-100℃-200℃的宽温范围内表现出优异的储能特性。此外，具有缓冲层的BZTS薄膜电容器在不同剂量He⁺及中子辐照后均表现出非常稳定的储能性能。该研究成果为制备Si集成高性能无铅薄膜电容器提供了有效的策略，且为Si集成超高储能薄膜电容器在高温、高寒、辐射等恶劣环境下的应用提供了实验依据。

该研究工作以“Silicon-integrated lead-free BaTiO₃-based film capacitors with excellent energy storage performance and highly stable irradiation resistance”为题发表在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A（实时影响因子11.301），该工作第一作者为微电子学院博士生赵凡，微电子学院刘明教授、电气学院成永红教授、西北核技术研究所刘林月研究员为共同通讯作者。参与该工作的还有微电子学院贾春林教授、胡光亮助理教授、代艳竹工程师，材料学院马春蕊副教授，电气学院刘鑫助理教授，宝鸡文理学院胡登卫教授，西北核技术研究所欧阳晓平院士。

该研究得到国家自然科学基金 、国家“973”项目、中央高校基本科研业务费专项资金、陕西省自然科学基金等支持。

文章链接： https://doi.org/10.1039/D1TA03049C