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中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心胡衛進研究員團隊聯合國內外科研力量，成功開發出熱處理升降溫速率達每秒1000攝氏度的“閃速退火”工藝，并基于該技術首次在2英寸硅晶圓上制備出均勻的高性能弛豫反鐵電儲能薄膜。這一突破性成果于2025年11月15日凌晨發表于國際頂級學術期刊《科學進展》（Science Advances），為下一代功率電子器件的儲能技術提供了工業化解決方案。 傳統電介質儲能薄膜的制備需通過多相復合或化學摻雜引入納米疇結構，但工藝復雜且難以兼顧大規模生產與極端環境適應性。胡衛進團隊創新性地提出利用超快結晶過程“凍結”高溫相結構，開發出“閃速退火”工藝。該技術通過每秒千攝氏度的極速升降溫，將鋯酸鉛（PbZrO₃）薄膜在高溫順電相形成的短程有序納米疇（尺寸<3納米）直接保留至室溫，形成類似“精密迷宮”的微觀結構。這種結構誘導出關鍵的弛豫反鐵電行為，使薄膜在極化強度與擊穿電場強度上實現突破，儲能密度達63.5焦耳每立方厘米，較傳統材料提升數倍。 實驗數據顯示，基于“閃速退火”工藝制備的薄膜電容器展現出驚人的環境耐受性。在零下196攝氏度（液氮溫度）至400攝氏度的極端溫度循環測試中，其儲能密度與充放電效率衰減均低于3%。這一特性使其成為深空探測、地下油氣勘探等場景的理想選擇。例如，在火星探測任務中，設備需在晝夜溫差超200攝氏度的環境中持續工作；而在地熱發電領域，電子元件需承受井下400攝氏度的高溫考驗，傳統電容器在此類場景下易因熱膨脹失配或材料降解失效，而新型薄膜電容器則可穩定運行。 團隊通過優化工藝參數，首次在2英寸硅晶圓上實現了弛豫反鐵電薄膜的均勻制備。該成果不僅驗證技術的可擴展性，更為芯片級集成儲能提供了工業化路徑。研究顯示，“閃速退火”工藝通過抑制鉛元素揮發，將薄膜漏電流降低至傳統工藝的1/10以下，同時晶粒排列致密化使小角晶界數量增加，進一步提升了材料的機械穩定性與循環壽命。此外，該技術對經典鐵電材料（如鋯鈦酸鉛PZT）同樣適用，可將其儲能性能提升五倍，展現出普適性價值。 該研究由金屬所李異卓副研究員、山東大學宋克鵬研究員及金屬所博士研究生朱美雄共同完成，金屬所王宇佳研究員提供計算模擬支持，李昺研究員與西安交通大學王志宏教授負責材料表征與器件測試。研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目資助，并依托上海同步輻射光源完成關鍵結構解析。團隊已著手與半導體企業合作，推進6英寸晶圓產線驗證，預計三年內實現規�；瘧�。 “這一成果標志著我國在電介質儲能材料領域實現了從跟跑到領跑的跨越�！鼻迦A大學材料學院教授李明指出，“閃速退火工藝通過精準控制納米疇結構，解決了長期困擾行業的‘不可能三角’——高儲能密度、寬溫域穩定性與大規模制備的兼容性問題�！彪S著新能源汽車、5G通信等產業對功率電子器件性能要求的提升，該技術有望推動儲能電容器向更輕量化、更高集成度的方向發展，為全球能源轉型提供關鍵材料支撐。 |
