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

Cite this article:

Song C, Zheng F, Zhang Y, et al. Dielectric ultracapacitors based on columnar nano-grained ferroelectric oxide films with gradient phases along the growth direction. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(7): 1072- 1079. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220920

1、研究背景

介电电容器是电子器件和电力系统中的核心部件，具有超高比功率和优异的可靠性。最近，由于它们的大极化和高击穿电场，铁电氧化物膜，特别是具有钙钛矿结构的铁电氧化物膜，呈现出非常高的能量密度，因此激发了广泛的研究兴趣。为了评估铁电材料的储能特性，充电能量密度(W_c)，放电或可回收能量密度(W_rec)和能量效率 (η)可以从以下方程中得到:W_c =，W_rec=, η=W_rec/W_c，其中P_max、P_r和E分别为电滞回线(P-E回线)中的最大极化、剩余极化和外加电场(图1(a))。基于这些方程，一个纤细伸展的，具有高P_max、低P_r和大的最高可施加电场(≈介电强度 E_b)的P-E回线，非常适合介电储能的应用。然而，由于其长程极化有序受到较少的干扰，单相正常铁电体，包括块体陶瓷和薄膜，呈现出电极化“过早”饱和的饱满P-E回线(图1(b)，标记为“Single phase”)。

图1 (a)通过其电滞回线(P-E回线)评估铁电材料的储能表现。Wrec、Wloss和Wc(=Wrec+Wloss)分别为可回收能量密度、损耗能量密度和充电能量密度，η=Wrec/Wc为能量效率。(b)“单相”、“T+R共存”、“柱状纳米晶”和“柱状纳米晶与T+R共存”的铁电薄膜的半P-E回线示意图（T为四方相，R为菱方相）。(c)“T”相(FT)、“R”相(FR)以及异相多畴混合体(Fhp)的自由能(F) -残余应变(εM)曲线，后者稳定在一定的压缩应变范围内。(d)具柱状纳米晶和晶粒内T+R梯度混合相的BZT薄膜的示意图;这里的“衬底”是指具有多层结构的硅衬底-LNO/Pt/Ti/SiO2/Si(100)。

为了获得纤细的P-E回线，大多数研究人员采用化学方法，包括掺杂、取代和固溶来设计和制备弛豫铁电体(relaxor ferroelectric, RFE)薄膜。在这些工作中，铁电相和顺电相共存的固溶体已成为电介质储能的理想化学体系。共存的顺电相打破了长程铁电有序，并在薄膜中诱导出纳米极性畴，导致其类弛豫铁电行为（纤细的P-E电滞回线）。例如，在结合了两种不同铁电材料和一个顺电组分的BiFeO₃‒BaTiO₃-SrTiO₃固溶体薄膜中，显示出由纳米异相畴构成的多晶型相界(PPB)，从而提高了介电能量存储的密度和效率[1]。然而，由于异质纳米畴的随机混合(由多组分RFE中的混合熵驱动)，该膜材料相当大的剩余极化限制了其储能效率的进一步提高。其他化学方法也有相应缺点，要么是引入掺杂/取代缺陷后产生了负面影响，要么是因为需将多种相互制衡的阳离子元素引入氧化物晶格而导致的制造复杂性。

为了补充化学方法的缺憾，几种用于薄膜结构调控的物理方法，如晶粒工程，应变工程和畴工程，以及异质界面的构建(“界面工程”)，已被用于制备具有理想纤细P-E回线的钙钛矿铁电膜，以增强其储能表现。Han等人采用高动能气溶胶沉积法制备了纳米晶(粒径~15±5 nm) Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃(PZT)厚膜(~4 μm)。这些本属于常规铁电体的PZT膜呈现出弛豫铁电行为，突出表现为纤细倾斜的P-E回线，其最大极化大，介电强度（E_b）高[2]。这些行为可归因于高动能沉积过程中颗粒之间的机械相互作用，在PZT膜中诱导出了超精细的纳米晶微观结构。

另一种晶粒工程方法侧重于铁电膜材料中的赝一维纳米晶粒的生长。这种纳米晶的生长，是通过降低沉积温度以实现高密度（晶粒）形核，以及使用取向导电缓冲层来促进生成(001)晶粒织构而实现的。在这样的工程化晶粒结构中，铁电晶粒自组装成密集排列的纳米柱阵列(“超精细柱状纳米晶”)，延伸穿过整个膜厚度。这些柱状纳米晶粒被薄的晶界层隔开，后者因结晶性差所以呈非铁电性，或者最多是弱铁电性。这种由柱状晶粒-晶界阵列组成的周期性纳米结构具有二维面内极化梯度，降低了平均剩余电极化并延迟了其在外加电场下的饱和过程。再加上晶粒尺寸效应导致的高击穿场强E_b，该方法显著提高了BaTiO₃膜的储能表现[3]。在硅上集成的亚微米厚度BaTiO₃膜的最新进展，包括高达~161.1 J/cm³的可回收能量密度和~373.8 J/(kV·m²)的高储能响应[4]。美中不足的是，由于处于稳定四方相状态，其电极化矢量沿(001)方向排列，这些晶粒工程化的BaTiO₃膜仍然保持相当大的剩余极化，因此其能量效率(~ 65%-80%)仍然远低于理想水平(~90%或更高)。这种薄膜的半P-E回线如图1(b)所示(红色曲线-“柱状纳米晶”)。

另一方面，在外延Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃厚膜(~0.35~1.8 μm)中经应变诱导的异相纳米畴结构，表现出了优异的能量存储效率(高达~96%)[5]。该高能量效率源自由亚稳四方相(T)和稳定菱方相(R)组成的超强适应性纳米畴结构。T相由薄膜压缩应变诱导产生，并在薄膜底部界面附近占主导地位，而R相则在薄膜顶部附近以高阶孪生多畴结构的方式大量存在。与此同时，这些厚膜能实现的储能密度受到其对外加电场的超强适应性的限制：与单相柱状纳米晶BaTiO₃膜相比，其极化饱和大幅提前。因此，这些介电膜在更小的电场下被击穿。与单相柱状纳米晶BaTiO₃膜相比，它们呈现出不那么令人印象深刻的能量密度(亚微米厚膜为~100 J/cm³，微米厚膜为~ 50-60 J/cm³)。这些薄膜的半P-E回线如图1(b)所示(蓝色曲线- “T+R共存”)。

在本工作中，我们结合这两种方法，在Si上制备了沿生长方向呈梯度混合相结构的Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃(BZT)柱状纳米晶铁电膜。在这种情况下，面内(x、y轴)和面外(z轴)都存在极化梯度，从而在BZT膜中形成了三维尺度上的极化不均匀性，最终获得了纤细伸长、能耐受高电场的P-E回线(如图1(b)所示，黑色曲线- “T+R共存的柱状纳米晶”)。该P-E回线对应了同时实现的高能量密度和高能量效率。为了制造出（晶粒尺寸减小的）柱状纳米晶阵列，我们将BZT膜的沉积温度降低到500℃。这样的沉积温度也抑制了错配位错的形成，从而使Si上生长的膜材料呈现出压缩残余应变[3]。正如我们之前的研究所示，在压缩应变下，BZT膜的底部由亚稳T相构成，在本工作的实验条件下，这些T相晶粒被薄的无定形晶界分隔开。由于应变场随膜厚的增加而衰减，每个纳米晶粒内部的亚稳T相逐渐转变为稳定的R相，形成沿膜/晶粒生长方向的梯度相分布。这种梯度的T/R多晶型相结构，加上柱状纳米晶的生长形态，使得本工作中的BZT膜在~5.7 MV/cm的大电场下，具有非常高的可回收能量密度W_rec(~208 J/cm³)和同样很高的能量效率(~88%)。这些BZT膜还展示出了高居里温度和低介电损耗。这些理想的介电性能表明，结合应变诱导多晶型相边界和柱状纳米晶这两大策略，可以制造出用于储能和高场介电应用的新型铁电薄膜电容器。

代表性参考文献：

[1] Pan H. et al. Ultrahigh-energy density lead-free dielectric films via poly-  morphic nanodomain design. Science 2019, 365: 578–582.

[2] Han GF. et al. Stress-controlled Pb(Zr_0.52Ti_0.48)O₃ thick films by thermal ex-pansion mismatch between substrate and Pb(Zr_0.52T_i0.48)O₃ film. J. Appl. Phys.  2011, 110: 124101

[3] Zhao YY. et al. Achieving an ultra-high capacitive energy density in ferro-

electric films consisting of superfine columnar nanograins. Energy Storage

Mater. 2021, 39: 81–88.

[4] Ouyang J. et al. Simultaneously achieving high energy density and respon- sivity in submicron BaTiO₃ film capacitors integrated on Si. J. Adv. Ceram.

2024, 13: 198–206.

[5] Cheng HB. et al. Demonstration of ultra-high recyclable energy densities indomain-engineered ferroelectric films. Nat. Commun. 2017, 8: 1999.

2、文章亮点

在这项工作中，结合多晶型相边界和纳米晶策略，我们设计和制造了介电超级电容器。这些超级电容器的核心是在500°C下溅射沉积在Si上的亚微米厚Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃铁电薄膜。源自接近多晶型相边界(PPB)的化学成分、压缩残余应变和低沉积温度产生的高形核率，这些薄膜的微观结构表现为沿生长方向具有梯度混合相的柱状纳米晶。这样的微观结构在纳米尺度上呈现出三维的极化不均匀性，从而显著延缓了其整体电极化强度的饱和。最终，从该膜材料中获得了赝线性、超纤细的电滞回线（P-E回线），该回线具有较高的最大可施加电场(~5.7 MV/cm)、低剩余极化(~5.2 μC/cm²)和高最大极化(~92.1 μC/cm²)，对应了高达208 J/cm³的可回收能量密度和~88%的充放电效率。通过深入的电子显微研究，我们发现这些梯度铁电相由四方(T)和菱方(R)多晶型相组成。富T相在薄膜底部附近较多，随膜厚增加逐渐转变为靠近表面的富R相。这些BZT膜材料还表现出了高达~460°C的居里温度和高至200°C的稳定储能温度。这些结果为高性能介电薄膜电容器的设计和制造提供了一条高度可行的途径。正所谓：

“铁电储能正时尚，工程方法似花繁。

晶界相界皆有道，密度效率难两全。

巧设柱晶梯度相，三维尺度调序参。

纳晶兼具强织构，低温缓冲是根源。

四方变晶增极化，菱方稳态促翻转。

柱晶面内成阵列，饱和有赖晶界延。

宏观无序微有序，极化耐压竞比肩。

高能高效高可靠，硅上集成应用宽。”

3、研究结果及结论

3.1 材料设计和结构表征

BZT块体陶瓷中的早期研究结果表明，用较大的Zr⁴⁺离子部分取代B位的Ti⁴⁺离子将导致晶胞变大，降低室温基态T相的稳定性。随着Zr⁴⁺添加量的增加，室温下的稳定块体相依次变为正交相(O相，2%≤Zr%≤8%)和菱方相(R相，Zr% ≥7%)。如果将其绘制在温度-成分相图中，则T-O和O-R相界随Zr⁴⁺含量增加而向上移动，相间能垒亦逐渐降低。同时，居里温度（BZT在此温度以上转变为顺电立方相）随着Zr⁴⁺含量的增加而降低，在Zr⁴⁺含量14%时达到T-O-C的三相点，温度为70℃；在Zr⁴⁺含量15%时达到O-R-C的三相点，温度为65℃。进一步增加Zr⁴⁺对Ti⁴⁺的取代量(Zr% > 15%)，将使立方相在室温附近或以下变得稳定，并且直接与低温的铁电菱方相相邻。在Zr% = 20%时，居里温度约为31℃，非常接近室温。在我们之前关于高能量密度外延BZT膜的研究中，我们选择的成分为Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃，因为它的铁电多晶型相的相间能差小，能阱浅，在残余失配应变的作用下形成了T+R的异相多畴纳米结构(图1(c))。具体来说，BZT薄膜中的亚稳T相是在(100)取向的立方或赝立方衬底施加的双轴压缩应变的作用下形成的。亚稳T相在薄膜底部附近大量存在，残余应变在这里达到最大值。在薄膜生长/厚度方向上，由于长程应力场的衰减导致残余应变的松弛，富T相结构逐渐转变为富R相结构(R相为块体稳定相)。因此，在BZT膜中形成了一个梯度的T+R混合相结构，富T区靠近膜的底部界面，富R区靠近膜的表面。

在这项工作中，通过插入易于在Pt/Ti/Si上(100)取向生长的导电钙钛矿模板层LaNiO₃(LNO)，促使生长出(001)织构的柱状纳米晶BZT薄膜。(001)BZT和(100)LNO之间的局域共格性，确保了柱状晶粒内部应力场的连续性。这样的应力场也会沿着薄膜生长方向衰减，从而导致晶粒内部梯度混合相的形成。在面内极化梯度(晶粒vs.晶界)和面外极化梯度(T相vs. R相，图1(d))的共同作用下，这种微观结构将具有接近于零的剩余极化。此外，在外加电场的作用下，面内周期性晶界造成了极化约束，而面外的T/R多晶型相纳米畴之间产生了超强适应性的极化翻转，两者间的协同效应，将产生一条最大极化值升高和饱和电场变大的极化饱和路径(图1(b)，黑色曲线)，该路径是理想的介电能量存储之路。

图2(a)为BZT膜的代表性XRD 2θ 扫描图谱。谱中只有纯钙钛矿结构的{00l}系列衍射峰，表明BZT薄膜在(100)LNO层上呈c轴取向生长。Pt金属层在Si(100)上呈(111)取向，这是溅射铂金属膜的典型取向。根据我们之前的工作，BZT块体R相的晶格常数为4.06 Å，而图2(a)中测量的BZT膜的面外晶格常数为~4.147 Å，验证了膜中存在较大的面内压缩应变。5 μm×5 μm的 AFM图像(图2(b))显示，BZT膜表面形貌致密光滑，均方根(RMS)粗糙度为~4.0 nm，面内为等轴纳米晶结构，晶粒的平均面内直径为~60 nm。之后，通过透射电镜(图3)/压电力显微镜(图4)/二次谐波(图5)等手段对BZT膜的微结构和畴结构进行了进一步的研究。

图2 500℃在LNO/Pt/Ti/SiO₂/Si(100)衬底上溅射的BaZr_0.2Ti_0.8O₃（BZT）膜的(a)XRD 2θ 扫描图谱和(b) AFM表面扫描图像。

通过TEM分析，发现BZT膜中的(001)取向柱状纳米晶由梯度T+R混合相组成。图3(a)为在SiO₂/(100)Si上沉积的BZT/LNO/Pt/Ti薄膜异质结构的代表性低倍TEM图像。BZT膜的厚度为~650 nm，其微观结构为贯穿整个膜厚度的、密集排列的柱状纳米晶，晶粒的平均面内直径为~60 nm，与AFM表面扫描结果一致(图2(b))。BZT薄膜异质结构的横截面元素能谱(EDS)面扫描图像如图3(b)所示。在该多层结构中显示了清晰的异质层间界面和均匀的层内组成元素分布，表明低沉积温度抑制了元素的层间相互扩散，获得了良好的薄膜品质。利用高分辨TEM分析，我们检查了BZT膜局部结构的晶格常数和结晶取向。我们从图2(a)中白色虚线框框住的晶粒内选择区域，从BZT膜的底部界面到表面依次成像(图3(c) -3 (h))。虽然所有选区的面外取向皆为(001)，同时各区域亦展示了相似的晶格常数，但是(100)/(001)的夹角随选区在膜厚度的位置而变。图3(k)画出了该角度作为选区厚度位置的函数，随着选区厚度位置的上移，该角度显示出明显的转变趋势，从膜底部附近的~90°(图3(d))减小到膜表面附近的~85°(图3(g))。

图3 BZT薄膜的TEM分析:(a)低倍TEM图像和(b)薄膜异质结构横截面的EDS元素面扫描图像;(c-h)使用(a)中白色虚线框内的柱状纳米晶，从膜底部界面到表面获得的选区高分辨截面TEM图像;(i, j)膜底界面(i)和膜表面(j)附近区域的快速傅里叶变换选区电子衍射图(FFT-SAED);(k)(100)/(001)平面夹角vs.选区厚度位置。(100)/(001)平面夹角的这种变化趋势，对应于四方向菱方相的转变，验证了晶粒内T/R混合相沿膜生长方向的梯度结构。

图4为BZT膜的压电显微力（PFM）图像(扫描面积:2 μm×2 μm)。图4(a)和图4(d)分别显示了平面内(IP)和平面外(OOP)扫描获得的表面高度图像。这两幅图像近乎等同，可以看作是小面积的原子力（AFM）扫描图像，其展示的薄膜形貌与图1(b)中大面积AFM扫描所获得的相似。图4(b)和图4(e)为IP和OOP扫描所获得的压电振幅图像，平均振幅分别为~90 pm (IP)和~30 pm (OOP)。图4(c)和4(f)是IP和OOP的压电相位图像，其平均倾斜相角，即电极化矢量相对于IP和OOP轴的角度，分别为~50°(IP)和~130°(OOP)。高的平面内压电振幅及倾斜相角，说明在薄膜表面附近有高浓度的R相存在。

图4 BZT膜的压电力（PFM）图像:(a-c)面内，(d-f)面外的表面形貌(a, d)、PFM振幅(b, e)和相位角(c, f)。 

为了验证表面附近BZT膜材料的宏观对称性，在反射模式下对BZT膜进行了二次谐波（SHG）测试。值得注意的是，透射模式不适用于生长在光学不透明基底SiO₂/Si上的薄膜。图5中显示了在45°和90°入射条件下的特征SHG光谱。在45°入射条件下反射的SHG信号表明可能同时存在面内和面外电极化矢量，而在90°入射条件下获得的强非零反射SHG信号，说明肯定存在面内电极化。考虑到薄膜中的四方相是c轴取向的(从XRD和TEM结果可知)，从薄膜近表面区域获得的这些SHG信号，只能用富含菱方相的结构来解释。实际上，使用菱方相模型拟合的SHG曲线与实测数据吻合较好。结合TEM和PFM的数据，这些SHG的结果支持我们提出的“梯度T+R混合相”的微观结构模型。

图5 在(a) 45°入射和(b) 90°入射条件下BZT膜的反射二次谐波（SHG）信号。空心点是测量数据点，实线是通过使用菱方相模型获得的拟合数据。

3.2 室温储能和相关电学性能

图6 BZT薄膜的室温电学性能:(a)不同电压（电场）下测得的P-E电滞回线，插图为通过P-E回线测量对其介电强度(E_b)的统计分析，采用的模型为双参数威布尔分布模型;(b)从P-E回线得到的充电和可回收能量密度（W_c，W_rec）以及能量效率(η)作为外加电场的函数;(c)漏电流密度-电场(J-E)曲线;(d)介电常数和介电损耗随测量频率的变化曲线，插图为介电常数-电场曲线，在1.2 MV/cm的电场下，BZT薄膜的介电调谐率为~24.3%。

用在1 kHz频率下测量的P-E回线，我们评估了BZT薄膜电容器的室温储能特性(图6(a))。BZT薄膜在其电击穿以前，在不断增大的外加电场作用下都能保持纤细的P-E电滞回线。在~5.7 MV/cm (370 V)的击穿电场(E_b)下，BZT薄膜的最大极化(P_max)为92.1 μC/cm²，剩余极化(P_r)则接近于零，为5.2 μC/cm²。在图6(a)的插图中，用双参数威布尔分布法对介电强度/击穿电场(E_b)进行了统计拟合，得到的E_b值为5.7 MV/cm，威布尔模量(β)为15.8。威布尔模型的结果，表明BZT薄膜具有可靠的高介电强度。正如我们的微观结构模型所阐述的那样，高电场耐受性可归因于柱状纳米晶结构。这样的纳米结构不仅会产生尺寸效应，从而提高介电强度(E_b)，还会产生一个面内极化梯度，显著延缓电极化的饱和。另一方面，BZT薄膜的高极化率和低滞回性可归因于梯度T/R混合相结构：具有较小能量差的两个多晶型相，在施加(R→T)和撤回(T→R)外部电场的过程中，可以很容易地相互转化。R→T相变在增大的外部电场下产生较高的最大极化;而在减小外部电场的反向转变（T→R）过程中，由于R相的特殊畴结构可以消除净极化，会产生一个接近于零的剩余极化（P_r）。因此，在高的最大可施加电场下(E_max= 5.7 MV/cm，~E_b)，升高的纤细P-E回线产生了超高的可回收能量密度W_rec (208 J/cm³)，同时亦具有理想的能量效率(η, ~88%)，如图6(b)所示。此外，BZT薄膜的储能密度（W_c，W_rec）随外加电场的增加呈近似平方增长，这与线性电介质的电容能量密度方程吻合得很好。当施加电场E为~4.62 MV/cm (~80% E_b)时，能量效率(η)仍远高于90%。只有当E达到95% E_b (~5.4 MV/cm)时，η才降至~90%。

漏电流密度-电场曲线如图6(c)所示。随着直流偏置电场的增加，漏电流密度(J)以递减的速率增加，在E = 600 kV/cm时达到~2×10⁻⁶ A /cm²。如此低的漏电流，表明BZT薄膜具有良好的绝缘性能。J-E曲线能被修正的Schottky接触模型(图6(c)插图)很好地拟合，这解释了漏电流在外加电场下的低增长率，后者可以归因于载流子在LNO/BZT异质结附近界面能垒的增加。另一方面，图6(d)展示了BZT薄膜介电性能的频率色散行为。BZT薄膜具有高介电常数(ε_r≈259@1 kHz)和低介电损耗(tanδ≈2.0% @1 kHz)，并且其介电特性的频率依赖性较弱(ε_r≈245, tanδ≈ 4.5% @1 MHz)。高介电常数和弱频率依赖性都是BZT薄膜中形成超强适应性纳米混合相的结果。最后，室温介电性能作为直流偏置电场(E_DC)的函数，展示在了图6(d)的插图中。在宽电场范围内（E_DC = 0 - 1.2 MV/cm)测量到的低介电损耗 (tanδ < 1.6%)，以及在1.2 MV/cm电场下的低介电调谐率(~24.3%，介电调谐率是在外电场作用下介电常数变化的百分比)，都对BZT薄膜优异的储能特性有所助益。总体而言，BZT薄膜在室温下表现出低导电性和优异而鲁棒的介电性能，这与图6(a)中显示的纤细而伸展的P-E回线特征是一致的。

3.3 温度稳定性

我们对薄膜介电常数的温度依赖性进行了研究，结果(ε_r–T曲线)如图7(a)所示。BZT薄膜显示出~460°C的高居里温度(T_c)，这一可归因于薄膜压缩残余应变的高T_c值，对于电容器的应用是非常理想的。此外，虽然介电常数峰值随着测量频率的增加而降低，但却没有观察到T_c的明显变化。这些行为是非弛豫的，但具有弥散性相变的特征，与具有类似成分的块体陶瓷中观察到的情况相吻合。使用修正的居里-外斯定律对ε_r–T的数据进行拟合，得到了一个介于1.6和2.0之间的临界指数β (见图7(a)插图)，这证实了BZT薄膜中铁电-顺电相变的高度弥散性。事实上，由于BZT薄膜由柱状纳米晶(面内直径为~60 nm)和晶粒内的梯度混合相(具有更小的特征尺寸)组成，因此从纳米极性结构的尺寸效应出发，可以预期如此高的β值。最后，为了评估储能性能的温度稳定性，在25℃ - 200℃的温度范围内，以3.1 MV/cm的最大电场(>0.5 E_b)，测量了BZT薄膜的P-E电滞回线，结果如图7(b)所示。在这一宽温度范围内，可回收能量密度(W_rec)和能量效率(η)均表现出了较小的变化(DW_rec%为±9.6%，Dη%为±2.1%)。这种温度稳定的储能特性，可归因于升高的居里温度以及T/R多晶型相之间较小的相间能垒。

图7 (a) BZT薄膜在1、10和50 kHz测试频率下的ε_r‒T曲线;(b) BZT薄膜的可回收能量密度(W_rec)和能量效率(η)随测量温度的变化曲线(W_md=(W_max+W_min)/2和η_md=(η_max + η_min)/2，其中md代表中值)。

3.4结论

在500°C下溅射沉积在Si上的亚微米厚Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O₃铁电薄膜中，我们同时获得了~208 J/cm³的超高可回收能量密度和~88%的高能量效率。这些薄膜具有由柱状纳米晶和晶粒内梯度混合相组成的微观结构。后者由应变致稳的T相(在薄膜底部附近占主导地位)和稳定的块体R相(在薄膜表面附近大量存在)组成。纳米晶和梯度混合相之间的协同效应导致了上述优异的储能表现，以及储能性能的频率和温度稳定性。通过在铁电薄膜中设计和制造这种自组装的纳米结构(柱状纳米晶+梯度多晶型混合相)，为创造同时具有高能量密度和高储能效率的下一代薄膜电容器铺平了道路。这项工作还展示了一种对铁电薄膜的微观结构和电学性能进行精细调控的有效方法。

（英文全文，包括“材料与方法”和完整的参考文献列表，可以从下面网址下载： https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220920）

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。

宋传奇，研究生毕业于齐鲁工业大学化工学院，现任山东国瓷集团研发工程师。

“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！

联系电子邮箱：ouyangjun@qlu.edu.cn

《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