原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Ouyang J, Xue Y, Song C, et al. Simultaneously achieving high energy density and responsivity in submicron BaTiO₃ film capacitors integrated on Si. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(2): 198-206.

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9220841

ResearchGate: https://www.researchgate.net/publication/376472244_Simultaneously_achieving_high_energy_density_and_responsivity_in_submicron_BaTiO3_film_capacitors_integrated_on_Si

1、导读

最近，齐鲁工业大学欧阳俊课题组在《先进陶瓷》（Journal of Advanced Ceramics）期刊上（2024, 13 (2): 198-206）发表 : “在集成于硅上的亚微米级钛酸钡薄膜电容器中同时实现高储能密度和高储能响应”一文，将该简单成分铁电膜材料的储能响应x，从文献汇报的最大值 276.6 J×(kV×m²) ^-1 提升到了373.8 J×(kV×m²) ^-1，提升幅度为~35%。其对应的可回收储能密度W_rec（~161.1 J/cm³)，亦优于同一级别厚度钛酸钡膜材料的最大值（130~144 J/cm³）。这一结果展示了该类简单成分的电介质材料在集成微能量器件中的广阔应用前景。

2、研究背景

由于介电电容器具有超高的功率密度，这使得它们在电力电子设备和脉冲功率设备中展现出巨大的应用潜力。然而，人们在介电电容器中追求高储能密度的同时，往往忽略了对其应用具有决定性影响的两个因素，即可制造性 (manufacturability) 和平均每单位电场下的可回收使用能量。前者限制了为实现高储能密度而在电介质陶瓷中无限添加掺杂或固溶元素的做法，而后者与可回收能量密度或击穿电场的结合，共同决定了该电介质材料使用范围的宽窄。人们定义了储能响应（responsivity）这一参数，即平均每单位电场下的可回收储能密度。理想的储能电介质材料，应该是成分尽量简单，而可回收储能密度和储能响应都具有较高的数值。目前，这一材料是很难实现的。在电介质材料中具备最高储能密度的铁电陶瓷里，其成分-储能密度-储能响应三者间存在相互制约关系。加入复杂的调制成分能实现高的储能密度和储能响应，而其代价是可制造性的急剧下降；而在简单成分的铁电材料中，又难以同时获得高介电常数和高击穿场强，从而无法兼顾其储能密度和储能响应。

在本工作中，我们摒弃了“成分调制”这一常规设计方法以突破上述制约关系。我们通过对溅射陶瓷薄膜晶粒形貌和尺寸的精准调控，在BaTiO₃ 这一简单实用的铁电陶瓷材料里，实现了介电常数和极化饱和延迟之间良好的平衡，同时获得了高储能密度和高储能响应。在亚微米量级（~500 nm）的钛酸钡薄膜中，其可回收储能密度达到了161.1 J/cm³, 同时储能响应高达373.8 J×(kV×m²) ^-1。这是在纯钛酸钡材料里迄今为止最好的储能表现，也优于绝大部分通过成分调制获得的高储能陶瓷材料（参见本文图4c）。如果考虑其优异的可制造性，那么这一集成在硅基底上的钛酸钡膜材料，是目前综合表现最好的储能电介质材料。

3、研究结果及结论

近日，齐鲁工业大学欧阳俊教授课题组在硅上集成制备了兼具高可回收储能密度（W_rec=161.1 J/cm³）和高储能响应（h =373.8 J/(kV×m²)）的亚微米级厚度钛酸钡薄膜电容器（射频磁控溅射，镀膜温度500^oC）。在钛酸钡这一典型的铁电型介电体中，存在着多尺度的极化结构，包括不同取向的铁电晶粒，以及晶粒内的铁弹畴。通过使用镍酸镧 (LaNiO₃)缓冲层，他们成功地在钛酸钡薄膜内诱导出了（001）织构的柱状纳米晶周期性结构，而适度升高的沉积温度则促成了该纳米晶在薄膜面内的生长（面内直径从低温的10-20 nm提高到500^oC的~30 nm）。这些择优取向和周期性排列的纳米晶结构，降低了薄膜的剩余极化，并延迟了薄膜在外加电场下极化的饱和（改变其P-E回线特性），这使得薄膜具有了更高的可回收储能密度。与此同时，薄膜因晶粒长大而具有更高的极化率/介电常数，这使得其在给定电场下的最大极化值远高于低温沉积的钛酸钡薄膜。与此相对应，这些500^oC下溅射沉积的钛酸钡薄膜打破了同种膜材料中储能响应的纪录（由~276.6 J×(kV×m²) ^-1 提升到了373.8 J×(kV×m²) ^-1，提升幅度为~35%）。

这些结果表明，具有简单易得成分的钛酸钡陶瓷在介电储能领域，尤其在集成微能量器件中，有着广阔的应用前景。正所谓：

“铁电储能多妙方，晶粒工程拓边疆。

晶界原为体缺陷，巧手编排组朋帮。

中温缓冲成阵列，柱晶薄膜性优良。

借问极化欲何往，峰高坡缓路绵长。”

图文介绍

I. 钛酸钡薄膜的X射线衍射图谱和原子力扫描图像

图 1：(a) LaNiO₃ （LNO）缓冲的和无缓冲亚微米厚度BaTiO₃薄膜的XRD 2-theta扫描图谱；（b）LNO缓冲BaTiO₃薄膜的表面原子力显微扫描图像。

图1（a）是LaNiO₃ （LNO）缓冲的和无缓冲亚微米厚度BaTiO₃薄膜的XRD 2-theta扫描图谱。从它较强的衍射峰可以推断，缓冲的BaTiO₃薄膜结晶度比无缓冲的要好。此外，无缓冲薄膜呈多晶结构，出现了三个主要的衍射峰，（110）、（00l）和（111），而缓冲BaTiO₃薄膜由于（l00）取向LNO的缓冲作用，呈现（00l）织构。薄膜的结晶度和取向的差异将在其铁电和储能特性上扮演关键角色。这些溅射制备的薄膜在表面形貌方面差异不大，都呈现出一个致密而光滑的表面，其均方根粗糙度为1-3纳米（通过原子力显微法/AFM观测揭示） 。图1（b）显示了LNO缓冲的BaTiO₃薄膜的表面AFM扫描图像，该薄膜的均方根粗糙度为 2.371 nm。薄膜中的纳米结构，包括异质结构界面、纳米晶粒形貌和晶粒内部的畴结构，随着LNO缓冲层的引入而发生了显著变化。

I I. 钛酸钡薄膜的透射电镜图像和结构分析

图2 （a）-（d）亚微米BaTiO₃（BTO）薄膜的低放大倍率和高分辨率横截面TEM图像，（a）（b）直接沉积在Pt/Ti（100）Si上的薄膜，（c）（d）在500 °C下通过LaNiO₃（LNO）缓冲层沉积在Pt/Ti（100）Si上的薄膜。（a） 和 （c） 中的红色矩形标记出晶粒内的 c/a/c/a...铁弹畴。（e） 经LNO缓冲生长的BaTiO₃薄膜的极化约束效应图示，该薄膜具有连续柱状纳米晶微结构，柱状晶为（001）织构。（c） 和 （d） 中的比例尺分别标记 50nm 和 2 nm。 

如图2（a）所示，在BaTiO₃/Pt异质结构中的BaTiO₃薄膜呈现不连续柱状纳米晶的微观结构（相对于厚度方向），其平均面内晶粒直径为 ~50–60 nm。Pt层测量厚度为 ~290 nm并显示粗大晶粒结构，平均面内晶粒尺寸为 ~200 nm。这个晶粒尺寸差，连同该BaTiO₃薄膜包含的（001）（110）随机取向的多晶结构，以及BaTiO₃与（111）Pt之间巨大的晶格错配，在这两个相邻层之间产生了非共格界面（图2b）。此外，在图2（a）中，c/a/c/a...铁弹畴为相对于薄膜法线呈 45° 倾斜的、位于BaTiO₃ 晶粒内部的条带阵列，这些畴结构已在图中用虚线矩形框标记。这种类型的畴结构常见于多晶四方相铁电体中。

同时，在图2（c）中，BaTiO₃/LNO/Pt异质结构中的BaTiO₃薄膜呈贯穿整个薄膜厚度的连续柱状纳米晶微结构。其平均面内晶粒直径约为 30 nm，远小于无缓冲BaTiO₃薄膜的晶粒直径。这一变化的晶粒形貌和减小的晶粒尺寸，可归因于其在（l00）织构的 LaNiO₃ （LNO）层上的缓冲生长 ，后者易于在Pt/Si基底上长成。立方钙钛矿结构的LaNiO₃ 具有非常接近 BaTiO₃ 的晶格参数（可从图1的XRD衍射谱中看出），因此它充当了后者局部共格生长的模版。LNO/Pt双层电极的总厚度为 ~300 nm（LNO 为 ~110 nm，Pt 为 ~190 nm），与无缓冲薄膜中Pt 电极的厚度相近。但是，在LNO薄层中形成的（001）织构纳米晶粒，导致了BaTiO₃薄膜中细柱状纳米晶的形成。BaTiO₃在LNO上的局部共格生长，已经由图2（d）所示的高分辨TEM图像所验证。此外，c/a/c/a...类型的晶粒内铁弹畴，亦存在于LNO缓冲的BaTiO₃薄膜中（见图2（c）中标记的虚线矩形），但由于其减小的晶粒尺寸，这些畴的厚度较小。

总而言之，两类BaTiO₃薄膜不同的微结构特性（结晶度和取向、异质结构界面、纳米晶粒形貌和晶粒内畴结构），应导致其迥异的铁电P-E 回线。基本上，由（001）织构的连续柱状纳米晶组成的铁电薄膜，将具有周期性的纳米晶/晶界微结构阵列，这些结构里具有与面外电场对齐的电极化[图2（e）]。铁电材料里的晶界通常被认为是非铁电或弱铁电体，因此它们会产生一个从晶界附近的趋零极化到晶粒中心趋于铁电材料自发极化的极化梯度。该梯度限制了薄膜的总体电极化，降低其在外场等于零时的残余值（剩余极化），并延迟其在电场下的饱和。因此，具有这种微结构的LNO缓冲的BaTiO₃薄膜，将显示出高饱和/最大可施加电场，以及一个趋于消失的剩余极化。另一方面，无缓冲BaTiO₃薄膜的微结构为不连续柱状纳米晶，且平均晶粒尺寸较大。该结构对薄膜电极化的限制效果大为减弱，导致其呈现较大的剩余极化和极化的提早饱和。因此，LNO缓冲的BaTiO₃薄膜应具有改善的电能存储表现。

III. 钛酸钡薄膜的铁电性能/极化行为分析

图3 (a) 施加电场为320 MV·m^–1时LaNiO₃缓冲和无缓冲BaTiO₃ 薄膜的室温 P–E电滞回线；(b) LaNiO₃缓冲BaTiO₃ 薄膜, (d) 无缓冲BaTiO₃ 薄膜的脉冲极化 (PUND) 测试结果; (c)应变(ε_m)调制的BaTiO₃薄膜的铁电极化P (实心数据点来自于参考文献中的理论计算，空心三角点来自于我们的LaNiO₃缓冲BaTiO₃薄膜)。

图 3（a）显示了同一电场下（E_m ≈ 320 MV·m^–1）两类BaTiO₃ 薄膜的室温 （RT） P–E电滞回线（@1 kHz）。该电场是无缓冲BaTiO₃薄膜的P-E回线显示出由传导电流占主导地位的贡献前，可施加其上的最大电场。两类薄膜在其P-E 回线中都显示了典型的铁电特性，包括电滞回线，非零剩余极化 （P_r） 和凹面曲率。然而，尽管其晶粒取向不利于平面外电极化在外场下的增长，无缓冲的BaTiO₃薄膜还是显示了提早饱和的迹象（从其 P-E 回线的尖端可见），以及较大的P_r值。此外，该薄膜测量的电极化值有着更大的自由电荷/传导电流的贡献，其击穿强度也比较低。这些性能上的差异与两类薄膜微结构上的差异一致。通过构建一个晶粒和畴结构更精细的、具有（001）织构的连续柱状晶微结构，创造出了小的剩余极化P_r并延迟了极化饱和过程，导致薄膜的可回收储能密度大幅增加（~81 J·cm^–3 vs. 57.1 J·cm^–3）。在我们之前的工作中，已经讨论过晶粒形状（连续与不连续柱状纳米晶）和晶粒尺寸（细晶与粗晶）对薄膜储能特性的影响，其结论再次得到了现工作的支持。此外，晶粒取向对极化饱和的影响，与晶粒尺寸和形状的影响相比，是微不足道的，因为 （001） 取向的晶粒应该比那些具有非极性取向的晶粒更容易饱和。

为了阐明上述结论，我们对两类 BaTiO₃ 薄膜进行了脉冲极化测试，即“正上负下” （PUND）测试。该测试测量可翻转的铁电极化—“delta P”，其数值大约是铁电材料在相应的外加电场下剩余极化的两倍。图3（b）是LNO缓冲的BaTiO₃薄膜的PUND测试结果，该结果显示在低场下delta P缓慢增加 （E < 100 MV·m^–1） ，在中高电场下（~100–310 MV·m^–1）delta P增长加速，最后在高电场下 （从310 MV·m^–1 到最大可施加电场 E_max ≈ 431 MV·m^–1） delta P 迅速增长。如果我们看一下所实现 delta P 的百分比（以最大delta P为基准进行归一化，最大delta P可写为delta P_max，在最大施加电场E_max =431 MV·m^–1 下实现），在约三分之二最大施加电场下，delta P%的数值略小于50%。需要指出的是，此处delta P%可以作为薄膜极化饱和的指标。这种铁电极化的延迟饱和是该薄膜出色储能表现的关键。此外，我们把1/2 delta P_max数据点，即P_r,max，完全极化（或接近完全极化）时薄膜的剩余极化值，和一系列已发表的应变（ε_m）调制BaTiO₃薄膜铁电极化的理论数据点P(ε_m)画在一起（见图3c）。我们的数据点 （1.9%， 8 μC·cm^–2） 非常接近拟合的 P–ε_m线，表明测得的delta P_max是其本征铁电极化，这一结果可归因于缓冲BaTiO₃薄膜的高（001）织构度。为了进行公平比较，无缓冲 BaTiO₃薄膜的delta P结果以绝对值以及其占预测的 delta P_max 的百分比两种形式绘制在一起，其结果见图3(d)。该（110）织构薄膜的预测delta P_max估算为（001）织构薄膜 delta P_max 数值的 倍。这么估算的依据是BaTiO₃薄膜是四方相，并且两种织构的薄膜都生长在硅上（因此具有相似的残余应变）。采用此措施后，我们可以看到，虽然无缓冲薄膜的 delta P 显示了与缓冲薄膜相似（在低场下）或稍大的数值（在 E ≈320 MV·m^–1），其百分比增加，即无缓冲薄膜的极化饱和过程，遥遥领先于缓冲薄膜。例如，在~320 MV·m^–1的相同电场下，无缓冲薄膜显示出~73%的饱和度，而缓冲薄膜只显示出~41%的饱和度。这些结果支持我们提出的薄膜微结构与其P-E极化行为或储能性能之间的紧密相关性。

IV. 钛酸钡薄膜的单边电滞回线和储能响应分析

图4：(a) LNO缓冲的BaTiO₃薄膜在不同外加电场下的单边电滞回线; (b)储能响应vs. （可回收）储能密度，其中黑色数据点来自于本工作中的钛酸钡薄膜，绿色数据点来自于文献中的钛酸钡薄膜，红色和蓝色数据点为文献中用成分调制方法获得的高储能陶瓷（包括块体和薄膜），红色数据点的金属阳离子种类大于2小于6，蓝色数据点的金属阳离子种类不小于6。

从低电场到高电场，LNO缓冲的BaTiO₃薄膜的单边电滞回线如图4（a）所示。从这些P-E回线中可以得到在每个外加电场E_app下的可回收储能密度（W_rec）、充放电效率（h）和储能响应（x）（表1）。在 E_app = 196 MV×m^-1（V = 100 V） 时，P-E回线是一个次级回线，其剩余极化P_r小到几乎可以忽略不计。但是，由于薄膜在该电场下的低极化率 [参见图 3(b)]，其最大极化P_max也很低，导致W_rec值低至~ 29.7 J×cm^-3 ,储能响应低至~ 151.5 J/(kV×m²)， 同时充放电/储能效率约为75%。随着 E_app 的增加，P_r和P_max 都增加了，从而提高了可回收储能密度 W_rec 和储能响应，但付出的代价是储能效率的降低。在最大可施加电场 E_app= 431 MV×m^-1 时（超过该值，所得P-E回线由于漏电流占主导贡献而严重失真），W_rec 增加到 161.1 J×cm^-3，效率值为 ~ 64.1%。该储能表现是一项重大成就，因为其对应的储能响应度 x= W_rec /E_app 高达 373.8 J×(kVm²)^-1。

从图4(b)中可以清楚地看出，我们的BaTiO₃薄膜（实心黑色方块）的储能响应值远高于文献中报道的BaTiO₃薄膜（实心绿色方块），亦可与最近在其他高储能密度陶瓷中汇报的储能响应度（实心红色和蓝色方块）一争高下。对于BaTiO₃薄膜而言，由于其相对较小的自发极化（P_S），提高其储能密度的常用策略是通过纳米晶粒工程延迟极化饱和并增强击穿场强。然而，如果考虑储能响应，即每单位外加电场下的储能密度，那么这些低温沉积的纳米晶薄膜由于极化率差/介电常数小（e_r~100）则表现较差。换句话说，BaTiO₃ 原本的高极化率/大介电常数与延迟的极化饱和相交换，获得了高储能密度（~ 130–240 J× cm^-3） 和低储能响应。另一方面，最近我们对直接沉积在Si上、晶粒粗大的BaTiO₃厚膜进行了研究，其储能表现显示出另一个极端，即大介电常数伴随过早的极化饱和，导致其储能密度降低（W_rec ~50 J×cm^-3），但储能响应良好。相比之下，目前的工作通过在介电常数/极化率和极化饱和延迟之间找到一个良好的平衡，在BaTiO₃薄膜中同时实现了高储能密度和高储能响应。获得如此出色性能的关键，是通过使用缓冲层和升高的生长温度，以有限的晶粒面内生长获得增大的纳米晶粒尺寸（~30 nm）。

通过成分设计改善的陶瓷电介质应该能够在储能密度和储能响应之间实现一个良好的平衡，因为它们可以同时具有高自发极化、大介电常数和高击穿场强。然而，从图4(b)中可以清楚地看出，除了少数成分非常复杂的例子（蓝色实心方块，阳离子总数达到6个或更多）以外，大多数成分设计的陶瓷电介质（红色实心方块）显示出平庸的储能密度或储能响应。这些数据点表明，除了可制造性下降之外，有限的性能调控能力已成为使用成分设计方法的一个顾虑。一个可能的原因是多组分/多价系统中缺陷（例如氧空位）的增殖。几种陶瓷成分和数类阳离子元素的组合，通常在性能增强方面展现出宏观的协同效应，但在原子尺度上产生的缺陷可能会抵消这种效应。

表1： LNO缓冲的BaTiO₃薄膜在不同外加电压/电场下的储能表现

V. 钛酸钡薄膜的介电性能及其铁电、介电性能的稳定性

图5：(a) 介电常数和损耗角正切作为测量频率的函数（插图是用于分析薄膜击穿强度的 Wellbull 分布图）。(b) 在10 kHz和100 kHz下测量的薄膜的归一化电容与工作温度的函数关系。(c) (d) LaNiO₃缓冲的BaTiO₃薄膜 (c)在不同温度下的极化-电压（P–V）电滞回线，以及(d)在不同充放电循环次数下的最大（+/–P_max）和剩余极化（+/–P_r）。

图5（a）展示了频率相关的电容（C-f）曲线。LaNiO₃缓冲的BaTiO₃薄膜的小场（相对）介电常数e_r在~210–227的数值范围内，频率依赖性较弱，而损耗角正切在测量频率全范围（1 kHz – 2 MHz）内小于3%。与之前报道的在350°C下溅射获得的BaTiO₃薄膜相比，两者损耗角正切值相当，而后者的介电常数e_r，由于其在高温下晶粒得以生长，而呈现较高数值。此外，图5（a）中的插图是薄膜击穿场强（E_b）的威布尔分布图。其威布尔模量为16.22，模拟的E_b为~4.46 MV/m。模拟的击穿场强与通过P-E测试测量的实验值一致。

热稳定性是一个需要考虑的重要性能参数，因为电容器可能会在变化的环境温度下工作。图5（b）中展示了在两个测量频率（即10和100 kHz）下获得的不同温度的薄膜电容（C–T）。在-150至200°C的宽温度范围内，电容变化很小（±10%）。从200到400 °C，C-T曲线在340 °C左右显示出峰值，这是铁电-顺电相变的特征。该居里温度远高于块体BaTiO₃的居里温度（~125°C），这一现象可归因于BaTiO₃薄膜中的残余拉伸应变（~1.9%），该应变在高温下稳定了铁电相。BaTiO₃薄膜的高居里温度使其在电容器中的应用具有良好的热稳定性。

与温度相关的P-V电滞回线如图5（c）所示。这些结果清楚地表明，在~-20至~160°C范围内薄膜具有稳定的极化响应（因此具有可靠的电容器性能）。在T = 220 °C时，由于热激活的传导过程，漏电流对极化电荷做出了重大贡献。在T = 240 °C时，P-V回线的斜率急剧下降，滞回缩小，表明发生了铁电-顺电相变。当温度进一步升高至280°C，产生了电导电流占主导地位的P-V回线。P-V回线的温度依赖性与图5（b）所示的电容/介电常数的温度依赖性（C-T）一致。此外，我们通过极化循环测试评估了LaNiO₃缓冲BaTiO₃薄膜的抗疲劳性，结果如图5（d）所示。在给定电场振幅 E_max = +/- 600 kV/cm时，正负最大极化 （+P_max ， -P_max） 被绘制为循环次数（双极性翻转次数）的函数。剩余极化（+P_r，-P_r）与循环次数的关系也被绘制在同一张图上。可以清楚地看到，BaTiO₃薄膜的这些特征极化数值，在高达10⁹次的双极性翻转后没有发生明显的变化，表明该铁电BaTiO₃薄膜电容器具有高抗疲劳特性。

VI 铌钽酸银薄膜的储能温度稳定性

我们还在经典的RC电路中测量了LaNiO₃缓冲的BaTiO₃薄膜在器件层次的储能性能。图6（a）是RC充放电电路的示意图，图6（b）是测量的BaTiO₃薄

图6: （a）充放电测试RC电路示意图;（b）被测试的LaNiO₃缓冲BaTiO₃薄膜电容器阵列（Φ = 0.2 mm）的光学图像; 随放电时间变化的（c）放电电压脉冲和（d）相应的放电能量密度（W_dis）;（e）通过满充电容器的漏电流和（f）电击穿后的薄膜电容器光学图像。

在这样的实验中，将一个圆片形的BaTiO₃薄膜电容器（Φ = 0.2 mm）在不同电压下充满电，该充电电压是用高压电源产生的，并具有与P-V回线相同的测试波形（三角波，1 kHz）。然后，薄膜电容器放电到两个串联的负载电阻（总电阻为1050 Ω）。通过高速电压表[图6(a)]，测量小电阻R1（50 Ω）上随时间变化的放电电压，结果如图6（c）所示。从这些电压脉冲中推导出放电电流随时间的变化，并用于计算放电能量密度，如图6（d）所示。表 1 将这些测得的放电能量密度（W_dis）与从P-E 电滞回线积分获得的可回收储能密度W_rec进行了比较。对于同时具有 W_dis和 W_rec值的三个外加电压，我们可以看到两者处于相同的数量级，而前者总是更小（约为后者的 ~ 50% 到 60%），其原因是因为电路损耗（例如寄生电容和寄生电阻所引起的损耗）。尽管如此，在~471 MV/m（240 V）和~392 MV/m（200 V）的外加电场下，放电能量密度分别达到94.9 J×cm^-3和74.0 J×cm^-3，表明这些薄膜电容器在实际器件应用中具有巨大的潜力。需要注意的是，在两者都没有产生破坏性漏电流的情况下，RC充放电测试对铁电薄膜电容器的最大可施加电场略高于其P-V测试中的最大可施加电场，这可以归因于前者的器件层次测试中更快的充放电速率。最后，我们测试了满充的铁电薄膜电容器的漏电流。它随着充电电压的增加而迅速增加，在240 V（471 MV/m）时达到 ~ 7μA  [图 6（e）]。当充电电压增加到240 V以上时，铁电薄膜电容器被击穿[图6（f）]。

4、作者及研究团队简介

欧阳俊，齐鲁工业大学化工学院教授，“新能源材料化学与功能器件”科研团队负责人，2013年11月入选教育部新世纪优秀人才，2021年12月入选湖南省“芙蓉学者”讲座教授。2005年在美国马里兰大学获得材料科学与工程博士学位（铁电压电材料方向，师从美国工程院院士R. Ramesh教授和铁性畴理论专家A. Roytburd教授）。2005.06–2010. 04期间在美国希捷科技任职，先后担任电子设计高级工程师和电子材料研发主管工程师。2010.04 -2019.12期间在山东大学材料学院任教授和博士生导师。主持承担包括国家基金和省重大基础研究项目在内的科研课题30余项。主要研究方向包括：（1）高能量密度、高功率密度储能材料技术及其应用; （2）换能和能量采集技术领域的铁电压电陶瓷材料，及其厚薄膜、低维结构和原型器件的设计、制备、表征和应用；（3）与半导体技术和柔性电子兼容的中低温薄膜材料制备和集成技术，包括多种室温镀膜技术；（4）光电、光热、防护和耐磨涂层的PVD制备，陶瓷-金属结合技术。目前担任中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事和山东硅酸盐学会电子陶瓷专家委员会常务委员。在Nat. Commun., Adv. Energy Mater., Energy Storage Mater., Adv. Fun. Mater., Acta Mater.等国际期刊上发表论文130余篇,在国际会议上做大会和分会邀请报告30余次，并多次组织国际会议或担任国际会议分会主席。主编英文学术专著一本“Nanostructures in Ferroelectric Films for Energy Applications”（2019. 06, Elsevier, https://www. elsevier.com/books/ nanostructures-in-ferroelectric-films-for-energy-applications/ouyang/978-0-12- 813856-4），获专利授权12项含国际专利1项，获中国硅酸盐学会特种陶瓷学术奖、电子元器件关键材料与技术专委会青年才俊奖和优秀论文奖、中国硅酸盐学会优秀博士论文提名奖（导师）等多项奖励。最近担任开源期刊《Nanomaterials》专刊: “Dielectric, Ferroelectric and Piezoelectric Properties of Nanomaterials”的客座主编，http://mdpi.com/si/201568 （投稿截止：2024/11/20），欢迎同仁联系赐稿。

本课题组在“研精究微”公众号发表推介文章的专辑：https://mp. weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?action=getalbum&__biz=MzkyMTM4ODE5Mg==&scene=1&album_id=3375117141208924160&count=3#wechat_redirect

成宏卜副教授，博士毕业于山东大学材料学院，主要研究铁电压电陶瓷、薄膜材料及相关微机电系统的设计与开发。主持省基金2项和横向课题1项，参与国家基金3项，其他项目4项。

“新能源材料化学与功能器件”科研团队成员还包括朱汉飞副教授，刘超博士、王立博士和梁珍雁博士。本课题组积极进取，团结和谐，在齐鲁工大精英人才科研启动基金的支持下，已建设了完整的材料制备、测试平台，包括陶瓷制备、电池制备\测试成套设备, 物理气相沉积（PLD、磁控溅射、自制气溶胶镀膜仪）,化学溶液沉积+快速退火炉, 纳米功能材料制备及表征, 四轴XRD（带倒易空间和原位变温测试功能），桌面扫描电镜+扫描探针显微镜联动测试系统（后者含原子力，开尔文、PFM、MFM等多个功能模块），最新的Radiant Technology 电学综合测试仪（Multiferroic II，内置500V，放大4kV），LCR表（C-f，C-V，可至400V），变温探针台（液氮到600度），压电d₃₃表和国内独有的激光实时测距压电横梁测试系统等先进设备。科研团队目前与国内外多个顶尖课题组建立了良好的合作关系，有利于年轻人的科研生涯发展。欢迎勤奋、踏实、有学术理想的年轻人加入我们课题组！

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团队在《先进陶瓷》上发表的相关代表作：

“Achieving a high energy storage density in Ag (Nb, Ta)O₃ antiferroelectric films via nanograin engineering”, H. Cheng, X. Zhai, J. Ouyang et al., Journal of Advanced Ceramics 12, 2023, 196.https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220678

推文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/OAt8o78NA-KMLrMF1DYIhg

“Synergically improved energy storage performance and stability in sol-gel processed BaTiO₃/(Pb,La,Ca)TiO₃/BaTiO₃ tri-layer films with a crystalline engineered sandwich structure”, Jinpeng Liu,^† Ying Wang,^† Hanfei Zhu*, Hongyu Luo, Xiao Zhai, Yu Huan, Jing Yan, Kun Wang, Chao Liu, Hongbo Cheng, Jun Ouyang*, Journal of Advanced Ceramics 12, 2300 (2023).

https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220821

推文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIxMTM2NzYzMA==&mid= 2247499448&idx=1&sn=9b2d13d1450584d512f8c1846f76544c&chksm=9754dd19a023540f34c1a62b746a09eaaacb8c87dd4b315dc5513d826011a677fa59dfc32239&token=79336198&lang=zh_CN#rd

“Boosting energy storage performance of low-temperature sputtered CaBi₂Nb₂O₉ thin film capacitors via rapid thermal annealing”，J. Yan and J. Ouyang et al., Journal of Advanced Ceramics 10, 627 (2021). https://doi.org/10.1007/s40145-021-0464-3

 “Effect of elastic domains on electromechanical response of epitaxial ferroelectric films with a three-domain architecture”, J. Ouyang*, W. Zhang, S. Alpay, A. Roytburd*, Journal of Advanced Ceramics 2, 1 (2013)

https://doi.org/10.1007/s40145-013-0044-2

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508