Stress-Induced Crystallization of Thin Hf1–XZrXO2 Films: The Origin of Enhanced Energy Density with Minimized Energy Loss for Lead-Free Electrostatic Energy Storage Applications

材料科学 结晶 压力(语言学) 能量(信号处理) 薄膜 结晶学 能量密度 X射线晶体学 化学工程 衍射 工程物理 纳米技术 光学 统计 物理 工程类 哲学 化学 语言学 数学
作者
Si Joon Kim,Jaidah Mohan,Joy S. Lee,Harrison Sejoon Kim,Jaebeom Lee,Chadwin D. Young,Luigi Colombo,Scott R. Summerfelt,Tamer San,Jiyoung Kim
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (5): 5208-5214 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acsami.8b17211
摘要

Increasing interest in the development of alternative energy storage technologies has led to efforts being taken to improve the energy density of dielectric capacitors with high power density. However, dielectric polymer materials still have low energy densities because of their low dielectric constant, whereas Pb-based materials are limited by environmental issues and regulations. Here, the energy storage behaviors of atomic layer-deposited Hf1- XZr XO2 ( X = 0-1) thin films (10 nm) and the phase transformation mechanism associated with an enhancement of their energy density are reported using unipolar pulse measurements. Based on electrical and material characterization, the energy density and energy efficiency are dependent on the Zr content, and stress-induced crystallization by the encapsulating Hf1- XZr XO2 films with TiN top electrodes prior to annealing can enhance the energy density (up to 47 J/cm3 at a small voltage value of 3.5 MV/cm) while minimizing energy loss even at low process temperatures (400 °C). This work will facilitate the realization of Hf1- XZr XO2-based capacitors for lead-free electrostatic energy storage applications.
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