High energy density and high efficiency achieved in the Ca0.74Sr0.26Zr0.7Ti0.3O3 linear dielectric thin films on the silicon substrates

电介质 电容器 材料科学 薄脆饼 薄膜 光电子学 介电损耗 热稳定性 电场 高-κ电介质 复合材料 电压 工程物理 电气工程 纳米技术 物理 量子力学 工程类
作者
Xiaoyang Chen,Binbin Huang,Yun Liu,Wenwu Wang,Ping Yu
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:117 (11) 被引量:24
标识
DOI:10.1063/5.0024307
摘要

Linear dielectrics are promising candidates for high-performance energy storage applications with high efficiency, excellent thermal stability, and high reliability due to their low loss, high dielectric breakdown strength, and stable dielectric properties, which are independent of the electric field and temperature. However, their low dielectric constant or polarization restricts the stored electrical energy, which makes them less attractive for high energy density storage applications compared to relaxor ferroelectrics or anti-ferroelectrics. Here, we realized an ultrahigh energy density (Ue ∼ 59.4 J/cm3) and high efficiency (∼89%) simultaneously in the Ca0.74Sr0.26Zr0.7Ti0.3O3 (CSZT) linear dielectric thin film, which are competitive with those of other lead-based and lead-free dielectric films deposited on Si wafers. Moreover, the CSZT thin-film capacitor exhibits great thermal stability with the Ue variation less than 3% from −90 °C to 170 °C and good fatigue endurance with the Ue variation of 4.5% after 3 × 107 cycles at 10 kHz. This work also reveals that the exploration of advanced linear dielectric thin films with a medium dielectric constant would benefit from the development of high-performance energy-storage capacitors.
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