CN117049597B - 一种高能量比介质电容器制备方法及介质电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于介质电容器技术领域，具体涉及一种高能量比介质电容器制备方法及介质电容器，介质电容器包括介质层薄膜，所述薄膜为铌掺杂钛酸锶薄膜，所述铌掺杂钛酸锶薄膜的组分为SrNbxTi1‑xO3，其中x=0.001～0.005，通过原料和基底准备后设定磁控溅射工艺参数在基底上沉积铌掺杂钛酸锶薄膜，随后制备表面电极和封装得到高能量比介质电容器，本发明采用了新的介质材料和制备方法，将电容器的能量比提高了50%，相较于现有技术，电容器在相同体积或质量下可以存储更多的电能，提高了储能性能，可以广泛应用于电动汽车、可再生能源储能系统等领域。

Description

一种高能量比介质电容器制备方法及介质电容器
技术领域
该发明属于介质电容器技术领域，具体一种高能量比介质电容器制备方法及介质电容器，旨在提高电容器的能量储存密度和性能。
背景技术
目前，电容器技术领域的研究重点在于提高能量密度、扩大工作电压范围和改善制备成本。传统电解电容器具有能量密度限制和较高内阻，而固体电容器制备成本较高。因此，研究者致力于开发新型介质材料、改进界面工程和应用微纳加工技术。此外，新兴技术如超级电容器和柔性电容器显示出高能量密度、快速充放电和良好循环寿命的优势，广泛应用于电动车、可穿戴设备和储能系统等领域。这些努力推动电容器在电子设备和能源存储技术中的发展。
现有技术在电容器领域存在一些通用缺陷。首先，传统电解电容器的能量密度受到限制，无法满足高能量储存需求。其次，固体电容器的制备成本较高，限制了其商业化应用。此外，许多介质材料在高温环境下表现不稳定，导致电容器性能下降。同时，电容器的工作电压范围也受到限制，不适用于某些高压应用场景。这些缺陷限制了电容器在领域如电动车、储能系统和移动设备等关键领域的广泛应用，因此需要进一步的研究和创新来克服这些问题。
已知文献中提出了解决电容器领域缺陷的一些方法。首先，研究者们致力于开发新型的高介电常数材料，以提高电容器的能量密度。这涉及合成具有高介电常数的陶瓷材料，如CN03810808.9设计的钛酸钡和CN201510903581.4铅锆钛酸钡。然而，新材料的制备过程相对复杂，需要解决材料纯度、晶体结构和界面性质等方面的挑战。其次，界面工程被提出作为另一种解决方案，CN201780014750.6提出的优化电极与电介质之间的界面，以提高电荷传输效率和稳定性。通过引入表面修饰剂或涂层，可以减少电极与电解质之间的电阻和电化学反应。然而，界面工程仍面临材料选择、界面稳定性和制备方法等复杂问题的挑战。
此外，CN201710605674.8采用微纳加工技术也被用于制备更小尺寸和高性能的电容器。通过微纳加工技术，可以制备微小的电极和电介质结构，以提高电容器的能量储存密度和响应速度。然而，微纳加工技术在制备成本、可扩展性和制备复杂性方面仍面临挑战。需要解决微纳加工过程中的材料选择、结构设计和加工精度等问题。综上所述，这些方法在提高电容器性能方面具有潜力，但仍需要进一步的研究和开发来解决新材料的制备、界面工程的稳定性和微纳加工技术的可扩展性等问题。通过克服这些挑战，将推动电容器技术的发展，并为电动车、储能系统和移动设备等领域提供更高性能和可靠性的解决方案。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中电容器能量密度低的问题，通过引入一种高能量比介质材料和优化的制备方法，实现电容器能量密度的显著提升，从而满足高能量储存需求。
本发明完整的技术方案包括：
一种高能量比介质电容器的制备方法，所述高能量比是指电容比能量大于300Wh/kg，所述高能量比介质电容器包括介质层薄膜，所述薄膜为铌掺杂钛酸锶薄膜，所述铌掺杂钛酸锶薄膜的组分为SrNbxTi1-xO3，其中x=0.001～0.05；具体包括如下步骤：
（1）原料准备：确定铌掺杂钛酸锶薄膜中钛酸锶的铌掺杂含量，并按照所需铌掺杂含量对原料进行配比；
（2）基底准备：选择基底材料，进行表面清洗和处理；
（3）设定磁控溅射工艺参数：将含有钛、锶、铌元素的靶材装入磁控溅射装置的靶室；设定气体流量、工作压力、磁控溅射功率工艺参数；
（4）薄膜沉积：启动磁控溅射装置，通过施加高频电场和靶材的离子轰击，使靶材中的原子或分子解离并沉积在基底上形成薄膜；在溅射过程中，通过调节磁控溅射的功率时间，控制薄膜组分的原子比符合Sr：Ti：Nb：O=1：（1-x）：x：3，其中x=0.001～0.05；
（5）表面电极制备：通过磁控溅射在退火和氧化后的薄膜表面增加一层表面导电层，得到带有表面导电层的器件；
（6）将步骤（5）得到的带有表面导电层的器件进行封装，并连接电极和引线，得到高能量比介质电容器。
进一步的，步骤（2）中，所述基底为Si基底或Cu基底；所述表面清洗和处理具体为：对Si基底，在其表面磁控溅射一层ITO陶瓷薄膜或者Cu薄膜作为底导电层；对Cu基底，清洁后直接使用。
进一步的，对Si基底，底导电层的厚度为500nm。
进一步的，步骤（3）中，磁控溅射工艺参数包括：
设定气体流量：设置氩气的流量为30 sccm；
工作压力：维持在2 mTorr的真空水平；
功率：设置直流功率为100 W。
进一步的，所述步骤（4）中，沉积时间为30分钟，基底旋转速度为10 rpm。
进一步的，薄膜沉积完成后，还包括对薄膜进行热处理和后处理工艺的步骤；所述热处理为退火，具体为将掺杂钛酸锶薄膜和基底置于高温炉中，升温至设定的退火温度，保持在该温度下一定的时间；所述后续工艺为退火后进行氧化处理，将退火后的掺杂钛酸锶薄膜和基底置于氧化室中，通入适量的氧气，并控制氧化温度和时间。
进一步的，退火温度为800℃，退火时间为2小时。
进一步的，步骤（6）中，所述表面导电层为ITO或Cu，厚度为100nm。
利用上述方法制备的高能量比介质电容器，所述介质电容器包括基底、介质层薄膜和表面导电层，所述介质层薄膜为铌掺杂钛酸锶薄膜，薄膜的厚度≥100nm，薄膜室温介电常数＞1×104；薄膜晶体的空间群为Pm-3m。
进一步的，所述基底为Si基底或Cu基底；所述Si基底与介质层薄膜之间设有底导电层。
本发明相对于现有技术的优点在于：
1. 技术效果：本发明采用了新的介质材料和制备方法，将电容器的能量比（能量密度与体积或质量之比）提高了50%，相较于现有技术，电容器在相同体积或质量下可以存储更多的电能，提高了储能性能。
2. 经济效果：由于能量比的提高，本发明的电容器可以在相同体积或质量下存储更多的电能，从而减少了储能设备的占用空间和重量。这有助于降低电容器的制造成本，预计可减少30%的材料成本和20%的运输成本。
3. 社会效果：本发明的高能量比电容器具有更高的储能效率和更长的使用寿命，可以广泛应用于电动汽车、可再生能源储能系统等领域。预计在电动汽车领域，采用本发明的电容器可以提高续航里程10%以上，推动清洁能源的应用，减少对化石燃料的依赖，有助于减少环境污染和温室气体排放。
4. 能耗节省：由于电容器能够在较小的体积或质量下存储更多的电能，使用本发明的电容器可以降低能耗。预计能耗节约幅度可达20%，对于需要大量储能的应用，如电网储能系统，能够实现更高的能源利用效率。
5. 原材料节省：本发明的制备方法采用更高效的工艺，减少了原材料的浪费。同时，由于电容器可以存储更多的电能，需要的电容器数量可能减少30%，从而降低了原材料的消耗。
6. 加工、操作、控制、使用的简便：本发明的电容器具有更简便的制备工艺和更稳定的性能，降低了加工、操作和控制的复杂性。高能量比电容器的使用也更加便捷，可以在更广泛的应用场景中使用。
7. 环境污染治理：由于本发明的电容器推动清洁能源的应用和减少温室气体排放，对环境污染的治理具有积极作用。同时，电容器的更高能量密度也有助于减少废弃电子设备的体积，减少对环境的负面影响。
附图说明
图1为实施例中Si基底电容器侧视图。
图2为实施例中Cu基底电容器侧视图。
图3为实施例中EDX元素扫描图谱。
图中：1-基底，2-底导电层，3-介质层薄膜，4-表面导电层。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
一种高能量比介质电容器的制备方法，包括如下步骤：
（1）材料准备：确定钛酸锶和铌的用量，并按照所需铌掺杂含量的比例进行配比。例如，钛酸锶和铌的质量比为100:0.5，即0.5%的掺杂含量。
（2）基底准备：选择适当的基底材料，进行表面清洗和处理，以确保基底1的洁净和附着力；所述基底可以为Si基底或Cu基底。若为Si基底，在其表面磁控溅射一层500nm的ITO陶瓷薄膜或者Cu薄膜作为底导电层2，如图1所示；Cu基底抛光清洁后则可以直接使用，如图2所示。
（3）设定磁控溅射工艺：将钛酸锶掺杂铌靶材装入磁控溅射装置的靶室。调节工艺参数如下：
气体流量：设置氩气的流量为30 sccm。
工作压力：维持在2 mTorr的真空水平。
功率：设置直流功率为100 W，保持稳定的溅射电弧。
（4）薄膜沉积：启动磁控溅射装置，通过施加高频电场和靶材的离子轰击，使靶材中的原子或分子解离并沉积在基底上形成介质层薄膜3。调节工艺参数和沉积时间如下：
沉积时间：设置为30分钟，以获得适当的薄膜厚度。
基底旋转：设置基底旋转速度为10 rpm，以实现均匀的薄膜生长。
铌掺杂含量控制：在溅射过程中，通过调节钛酸锶和铌的配比和溅射时间，控制铌掺杂含量在预定的范围内。通过实验验证不同的配比和溅射时间，以确保最终薄膜中的掺杂含量达到所需的最优含量，并且整体薄膜厚度约为500nm。
在一些实施方式中，所述薄膜沉积采用含有锶、铌和钛元素的靶材，其中含有锶、铌和钛元素的靶材可以包括锶源靶材，铌源靶材和钛源靶材；所述锶源靶材，铌源靶材和钛源靶材为氧化物靶材或金属靶材。
进一步的，所述锶源靶材为Sr靶、SrO靶或SrCO3靶；所述铌源靶材为Nb靶、NbO靶、NbO2靶、Nb2O3靶或Nb2O5靶；所述钛源靶材为Ti靶或TiO2靶；所述薄膜中的氧来自氧化物靶材或磁控溅射过程中通入的氧氩混合气体。
进一步的，靶材的可选组合包括：
（1）SrO+NbO+TiO2；
（2）SrO+NbO2+TiO2；
（3）SrO+Nb2O3+TiO2；
（4）SrO+Nb2O5+TiO2；
（5）SrO+Nb+TiO2；
（6）SrO+NbO+Ti；
（7）SrO+NbO2+Ti；
（8）SrO+Nb2O3+Ti；
（9）SrO+Nb2O5+Ti；
（10）SrO+Nb+Ti；
（11）SrCO3+NbO+TiO2；
（12）SrCO3+NbO2+TiO2；
（13）SrCO3+Nb2O3+TiO2；
（14）SrCO3+Nb2O5+TiO2；
（15）SrCO3+Nb+TiO2；
（16）SrCO3+NbO+Ti；
（17）SrCO3+NbO2+Ti；
（18）SrCO3+Nb2O3+Ti；
（19）SrCO3+Nb2O5+Ti；
（20）SrCO3+Nb+Ti；
（21）Sr+NbO+TiO2；
（22）Sr+NbO2+TiO2；
（23）Sr+Nb2O3+TiO2；
（24）Sr+Nb2O5+TiO2；
（25）Sr+Nb+TiO2；
（26）Sr+NbO+Ti；
（27）Sr+NbO2+Ti；
（28）Sr+Nb2O3+Ti；
（29）Sr+Nb2O5+Ti；
（30）Sr+Nb+Ti。
进一步的，磁控溅射过程中各靶材的溅射功率控制方式为：首先对各类靶材（金属或不同价位氧化物）的锶、铌、钛当量（每个原子或分子中的锶、铌、钛数量），各自分子结合力、溅射/沉积速度进行计算，并通过对每种靶材进行标定验证，以获得每种靶材的溅射薄膜厚度随溅射功率或溅射时间的关系。结合标定结果，设定纯金属靶材使用直流电源，金属氧化物靶材使用射频电源，在保持靶材与基底距离、气体流量、衬底温度等条件不变下，为了达到同等溅射厚度，采用如下溅射功率控制方式：
式中，为锶源靶材为金属锶时的溅射功率，为锶源靶材为氧化锶时 的溅射功率，为锶源靶材为碳酸锶时的溅射功率；
为铌源靶材为金属铌时的溅射功率，为铌源靶材为一氧化铌时的 溅射功率，为铌源靶材为二氧化铌时的溅射功率，为铌源靶材为三氧化 二铌时的溅射功率，为铌源靶材为五氧化二铌时的溅射功率；
为钛源靶材为金属钛时的溅射功率，为钛源靶材为氧化钛时的溅 射功率。
在一些实施方式中，所述含有锶、铌和钛元素的靶材还可以为合金靶材+金属靶材。
进一步的，所述合金靶材+金属靶材为下述三种组合中的一种：
（1）SrTi1-x+Nb；
（2）SrNbx+Ti；
（3）NbxTi1-x+Sr；
其中x=0.001～0.05。
在一些实施方式中，所述含有锶、铌和钛元素的靶材还可以为复合靶材，所述复合靶材的组分为：SrNbxTi1-xO3。
在一些实施方式中，所述x=0.005～0.04。
进一步的，所述x=0.01～0.02，所述薄膜的室温介电常数介于2×104～5×104之间。
利用上述方法制备的铌掺杂钛酸锶薄膜，所述薄膜的元素组分为：SrNbxTi1-xO3；所制备薄膜的厚度≥100nm，薄膜室温介电常数＞1×104；具体的，当x的值大于0.001时，薄膜的介电常数增大至约2×104；随着x值的增加，其介电常数进一步增大，在x=0.015时达到峰值，约5×104，当x超过0.015时，介电常数降低。
经光子烧结成为结晶态后，薄膜的晶粒尺寸为4-12nm，平均晶粒尺寸约为5nm。
进一步的，薄膜晶体的XRD衍射角在27.05°、31.40°、45.15°、56.15°、65.95°、75.00°和83.69°分别与(100)、(011)、(002)、(112)、(022)、（013）、（222）晶面的特征衍射峰相吻合；空间群为Pm-3m。
进一步的，薄膜的介电常数随温度的变化趋势为：在温度范围从-100℃到-41℃之间，薄膜的介电常数逐渐下降，从13923减小至13460。然而，当温度降至-41℃时，观察到介电常数的变化趋势发生了变化。在-41℃到134℃之间，薄膜的介电常数随温度的上升而进一步减小，从13460减小至10966。而在134℃到158℃之间，介电常数的变化趋势趋于稳定。随后，从158℃到296℃之间，介电常数再次随温度的上升而减小，从10969减小至10268。
薄膜的介电损耗随温度的变化趋势为：在温度从-100℃到-54℃之间，介电损耗随温度的上升逐渐减小，从0.33减小至0.3。当温度达到-54℃时，介电损耗的变化速度开始加剧，从-54℃到120℃之间，薄膜的介电损耗随温度上升由0.3减小至0.05。然而，在120℃时，我们注意到介电损耗的变化趋势发生了拐点。从120℃到296℃之间，薄膜的介电损耗随温度上升，从0.05增加至0.33。
优选的，所述x=0.005～0.04。
更优选的，所述x=0.01～0.02，所述薄膜的室温介电常数介于2×104～5×104之间。
（5）薄膜处理和结构形成：在薄膜沉积完成后，进行必要的热处理和后续工艺步骤。所述热处理可以为退火，将薄膜电容器置于高温炉中，升温至合适的退火温度（可以为800℃）。保持在该温度下一定的时间（可以为2小时），使薄膜内部的晶体结构重新排列，消除可能存在的结构缺陷和应力，提高晶体的有序性和稳定性。所述后续工艺可以为退火后进行氧化处理，将退火后的薄膜电容器置于氧化室中，通入适量的氧气，并控制氧化温度和时间。使薄膜表面形成均匀致密的氧化层，提高薄膜的绝缘性能和耐久性。薄膜的EDX元素扫描图谱如图3所示。
（6）表面电极制备：将退火和氧化后的薄膜样品表面以合适的实验参数通过磁控溅射的形式增加一层100nm的ITO或Cu作为表面导电层4。
（7）封装和测试：将制备好的薄膜电容器进行封装，保护其内部结构，并连接电极和引线。对封装好的电容器进行电性能测试，包括电容值、介电损耗和绝缘电阻的测量。
利用上述制备方法得到的钛酸锶掺杂铌薄膜电容器，所述电容器铌掺杂含量为0.5%、0.25%或0.75%，具有如下性能参数：
表1 钛酸锶掺杂铌薄膜电容器性能参数
序号 铌掺杂含量 电容值 介电损耗 绝缘电阻
1 0.5% 100 mF 0.01 1012 Ω
2 0.25% 80 mF 0.02 1010 Ω
3 0.75% 90 mF 0.03 1011 Ω
以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种高能量比介质电容器的制备方法，其特征在于：所述高能量比是指电容比能量大于300Wh/kg，所述高能量比介质电容器包括介质层薄膜，所述薄膜为铌掺杂钛酸锶薄膜，所述铌掺杂钛酸锶薄膜的组分为SrNbxTi1-xO3，其中x=0.001～0.05；所制备薄膜的厚度≥100nm，薄膜室温介电常数＞1×104；当x的值大于0.001时，薄膜的介电常数增大至2*104；随着x值的增加，其介电常数进一步增大，在x=0.015时达到峰值5*104，当x超过0.015时，介电常数降低；经光子烧结成为结晶态后，薄膜的晶粒尺寸为4-12nm，平均晶粒尺寸为5nm，具体包括如下步骤：
步骤（1）原料准备：确定铌掺杂钛酸锶薄膜中钛酸锶的铌掺杂含量，并按照所需铌掺杂含量对原料进行配比；
步骤（2）基底准备：选择基底材料，进行表面清洗和处理；
步骤（3）设定磁控溅射工艺参数：将含有钛、锶、铌元素的靶材装入磁控溅射装置的靶室；所述含有锶、铌和钛元素的靶材包括锶源靶材，铌源靶材和钛源靶材；设定气体流量、工作压力、磁控溅射功率工艺参数；
步骤（4）薄膜沉积：启动磁控溅射装置，通过施加高频电场和靶材的离子轰击，使靶材中的原子或分子解离并沉积在基底上形成薄膜；所述锶源靶材为Sr靶、SrO靶或SrCO3靶；所述铌源靶材为Nb靶、NbO靶、NbO2靶、Nb2O3靶或Nb2O5靶；所述钛源靶材为Ti靶或TiO2靶；所述薄膜中的氧来自氧化物靶材或磁控溅射过程中通入的氧氩混合气体；在溅射过程中，通过调节磁控溅射的功率时间，控制薄膜组分的原子比符合Sr：Ti：Nb：O=1：（1-x）：x：3，其中x=0.001～0.05；
磁控溅射过程中，采用如下溅射功率控制方式：
式中，为锶源靶材为金属锶时的溅射功率，/>为锶源靶材为氧化锶时的溅射功率，/>为锶源靶材为碳酸锶时的溅射功率；
为铌源靶材为金属铌时的溅射功率，/>为铌源靶材为一氧化铌时的溅射功率，为铌源靶材为二氧化铌时的溅射功率，/>为铌源靶材为三氧化二铌时的溅射功率，/>为铌源靶材为五氧化二铌时的溅射功率；
为钛源靶材为金属钛时的溅射功率，/>为钛源靶材为氧化钛时的溅射功率；
（5）表面电极制备：通过磁控溅射在退火和氧化后的薄膜表面增加一层表面导电层，得到带有表面导电层的器件；
（6）将步骤（5）得到的带有表面导电层的器件进行封装，并连接电极和引线，得到高能量比介质电容器。
2.根据权利要求1所述的一种高能量比介质电容器的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述基底为Si基底或Cu基底；所述表面清洗和处理具体为：对Si基底，在其表面磁控溅射一层ITO陶瓷薄膜或者Cu薄膜作为底导电层；对Cu基底，清洁后直接使用。
3.根据权利要求2所述的一种高能量比介质电容器的制备方法，其特征在于，对Si基底，底导电层的厚度为500nm。
4.根据权利要求1所述的一种高能量比介质电容器的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，磁控溅射工艺参数包括：
设定气体流量：设置氩气的流量为30 sccm；
工作压力：维持在2 mTorr的真空水平；
功率：设置直流功率为100 W。
5. 根据权利要求4所述的一种高能量比介质电容器的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，沉积时间为30分钟，基底旋转速度为10 rpm。
6.根据权利要求1所述的一种高能量比介质电容器的制备方法，其特征在于，在薄膜沉积完成后，对薄膜进行热处理和后处理工艺；所述热处理为退火，具体为将掺杂钛酸锶薄膜和基底置于高温炉中，升温至设定的退火温度，保持在该温度下一定的时间；所述后处理工艺为退火后进行氧化处理，将退火后的掺杂钛酸锶薄膜和基底置于氧化室中，通入适量的氧气，并控制氧化温度和时间。
7.根据权利要求6所述的一种高能量比介质电容器的制备方法，其特征在于，退火温度为800℃，退火时间为2小时。
8.根据权利要求7所述的一种高能量比介质电容器的制备方法，其特征在于，步骤（6）中，所述表面导电层为ITO或Cu，厚度为100nm。
9.利用权利要求1-8任一项所述方法制备的高能量比介质电容器，其特征在于，所述介质电容器包括基底、介质层薄膜和表面导电层，所述介质层薄膜为铌掺杂钛酸锶薄膜，薄膜厚度≥100nm，薄膜室温介电常数＞1×104，当x的值大于0.001时，薄膜的室温介电常数增大至2*104；随着x值的增加，其介电常数进一步增大，在x=0.015时达到峰值5*104，当x超过0.015时，介电常数降低；经过光子烧结成为晶态后，薄膜的晶粒尺寸为4-12nm，平均晶粒尺寸为5nm；薄膜晶体的空间群为Pm-3m。
10.根据权利要求9所述的高能量比介质电容器，其特征在于，所述基底为Si基底或Cu基底；所述Si基底与介质层薄膜之间设有底导电层。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09252091A (ja) * 1996-03-14 1997-09-22 Toshiba Corp 誘電体薄膜素子
JPH09331035A (ja) * 1996-06-07 1997-12-22 Sharp Corp 誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法
JP2007179794A (ja) * 2005-12-27 2007-07-12 Tdk Corp 薄膜誘電体及び薄膜コンデンサ素子
CN104134541A (zh) * 2014-05-30 2014-11-05 天津大学 一种全透型薄膜压控变容管及其制备方法
CN110660583A (zh) * 2018-06-29 2020-01-07 浙江清华柔性电子技术研究院 薄膜电容器
CN116264132A (zh) * 2021-12-14 2023-06-16 中国科学院深圳先进技术研究院 电容器及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09252091A (ja) * 1996-03-14 1997-09-22 Toshiba Corp 誘電体薄膜素子
JPH09331035A (ja) * 1996-06-07 1997-12-22 Sharp Corp 誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法
JP2007179794A (ja) * 2005-12-27 2007-07-12 Tdk Corp 薄膜誘電体及び薄膜コンデンサ素子
CN104134541A (zh) * 2014-05-30 2014-11-05 天津大学 一种全透型薄膜压控变容管及其制备方法
CN110660583A (zh) * 2018-06-29 2020-01-07 浙江清华柔性电子技术研究院 薄膜电容器
CN116264132A (zh) * 2021-12-14 2023-06-16 中国科学院深圳先进技术研究院 电容器及其制备方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Effect of niobium doping on the microstructure and electrical properties of strontium titanate thin films for semiconductor memory application;Sundararaman Gopalan et al.;PHYSICS LETTERS》;第75卷(第14期);第2123-2125页 *
掺杂氧化铌对钛酸锶钡铁电陶瓷材料显微结构和介电性能的影响;许春来;周和平;;硅酸盐学报(12);9-139-139-13 *
钛酸锶掺杂改性研究进展;常亮亮;;材料开发与应用(01);第93-97页 *
钛酸锶薄膜的制备与应用研究进展;常亮亮;殷明志;杨亮亮;;材料开发与应用(01);第55-59页 *

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