通过氧空位相工程增强Hf᙮Zr᙮₋₁O₂反铁电超导电容器的能量存储与效率

Enhancement of Energy Storage and Efficiency in Antiferroelectric Hf᙮Zr᙮₋₁O₂ Supercapacitors Through Tailored Phase Engineering by Oxygen Vacancy

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/EDL.2025.11127050

作者	Zhiquan He · Yu Bai · Guanlin Li · Xuanxi Liu · Xiuyi Wang · Chuhao Yao
期刊	IEEE Electron Device Letters
出版日期	2025年8月
技术分类	储能系统技术
相关度评分	★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词	反铁电性能 HZO薄膜氧空位能量存储密度耐久性

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中文摘要

在本信件中，通过调控 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${\mathrm {Hf}}_{\mathbf {x}}$ </tex-math></inline-formula><inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${\mathrm {Zr}}_{\mathbf {{1}-}\mathbf {x}}$ </tex-math></inline-formula><inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${\mathrm {O}}_{\mathbf {{2}}}$ </tex-math></inline-formula>（HZO）薄膜的氧空位（V<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${}_{\!\!\mathbf {O}}$ </tex-math></inline-formula>），显著改善了其反铁电（AFE）性能。在 HZO 薄膜的溅射过程中使用了具有不同 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${\mathrm {O}}_{\mathbf {{2}}}$ </tex-math></inline-formula> 流量的气体。引入适当的 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${\mathrm {O}}_{\mathbf {{2}}}$ </tex-math></inline-formula> 流量可同时提高反铁电 HZO 储能电容器（ESCs）的储能密度（ESD）和效率（<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\eta $ </tex-math></inline-formula>）。X 射线衍射（XRD）和电容 - 电场（C - E）测量表明，通过调控 V<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${}_{\!\!\mathbf {O}}$ </tex-math></inline-formula> 浓度来调节 HZO 薄膜中的四方相（t 相）/正交相（o 相）比例，以促进 t 相结晶。当 V<inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">${}_{\!\!\mathbf {O}}$ </tex-math></inline-formula> 为 8.0% 且锆（Zr）浓度为 0.82 时，HZO 薄膜中的 t 相实现了最佳结晶，从而获得了约 86.3 J/cm³ 的储能密度和约 74% 的效率。此外，我们还实现了卓越的耐久性，在超过 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$10^{{9}}$ </tex-math></inline-formula> 次循环后仍能保持初始储能密度的 98%。本文所获结果为实现高性能反铁电 HZO 储能电容器提供了一种新颖有效的方法。

English Abstract

In this letter, the antiferroelectric (AFE) performance of {Hf}_ x {Zr}_ {1- x} {O}_ {2} (HZO) film is significantly improved by regulating its oxygen vacancy (V _!! O ). The gas with different {O}_ {2} flow is used in the HZO films sputter process. Introducing appropriate {O}_ {2} flow enhances both energy storage density (ESD) and efficiency ( ) of the AFE HZO energy storage capacitors (ESCs). X-ray diffraction (XRD) and capacitance–electric (C–E) measurements demonstrate that the t-phase/o-phase ratio in HZO films was adjusted by regulating the V _!! O concentration to promote t-phase crystallization. The optimal crystallization of the t-phase in HZO films, achieved with 8.0% V _!! O and 0.82 Zr concentration, results in an ESD of ~86.3 J/cm3 and an efficiency of ~74%. Moreover, we attained exceptional durability, surpassing 10^9 cycles while maintaining 98% of the initial ESD. The results obtained herein provide a novel and effective method to achieve high-performance AFE HZO ESCs.

SunView 深度解读

从阳光电源储能系统业务视角看，这项基于HfₓZr₁₋ₓO₂（HZO）反铁电薄膜的储能电容技术展现出显著的应用潜力。该研究通过氧空位调控实现相工程优化，在8.0%氧空位浓度和0.82锆浓度配比下，获得了86.3 J/cm³的能量存储密度和74%的储能效率，同时展现出超过10⁹次循环后仍保持98%初始容量的卓越耐久性。

对于阳光电源的储能产品线而言，这项技术具有三方面战略价值。首先，高能量密度特性可显著提升储能系统的功率密度，这对于光伏逆变器中的DC-link电容和储能变流器的脉冲功率应用场景具有重要意义，有助于实现系统小型化和轻量化设计。其次，超长循环寿命与我们工商业储能系统对20年以上运行寿命的需求高度契合，可降低全生命周期维护成本。第三，反铁电材料的快速充放电特性适用于电网调频等需要毫秒级响应的应用场景。

然而技术成熟度评估显示，该技术仍处于实验室阶段，面临诸多工程化挑战：薄膜制备工艺的大规模量产一致性控制、与现有电力电子系统的集成设计、高电压下的长期可靠性验证，以及成本竞争力等问题亟待解决。建议阳光电源技术研发部门持续跟踪该技术方向，可考虑与相关研究机构建立合作，探索在特定高附加值应用场景（如新能源汽车充电桩的快速响应模块、微电网的瞬时功率补偿单元）的先导性应用，为未来3-5年的产品技术储备奠定基础。