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近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心胡衛(wèi)進(jìn)研究員團(tuán)隊(duì)攜手合作者，開發(fā)出一種熱處理升降溫速率可達(dá)每秒1000攝氏度的“閃速退火”工藝，成功制備出晶圓級高性能儲能薄膜。相關(guān)成果于11月15日凌晨發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上，為下一代高性能儲能電容器件的制造開辟了一條新路徑。

科研人員介紹，在脈沖激光器、新能源汽車等應(yīng)用的功率電子器件中，有一類名為“電介質(zhì)儲能電容器”的元件至關(guān)重要，它們以極高的功率快速充放電，并且極其耐用。然而，科學(xué)家們一直面臨一個(gè)難題：如何讓這些電容器在保持強(qiáng)大儲能能力的同時(shí)，還能經(jīng)受住從極寒到酷熱的極端溫度考驗(yàn)，并且易于大規(guī)模生產(chǎn)。

此次研究中，利用“閃速退火”工藝，研究人員可僅用1秒鐘，就能在硅晶圓上制備出一種名為鋯酸鉛的弛豫反鐵電薄膜。據(jù)介紹，這項(xiàng)工藝技術(shù)可以將材料在高溫下的特殊結(jié)構(gòu)“凍結(jié)”在室溫，形成了尺寸不到3納米的納米微疇。這些微小的結(jié)構(gòu)如同一個(gè)精密的迷宮，是誘導(dǎo)弛豫反鐵電行為，實(shí)現(xiàn)高效率儲能的關(guān)鍵。同時(shí)，“閃速退火”還讓薄膜的“肌理”更加致密均勻，并有效鎖住了容易揮發(fā)的鉛元素，從根源上減少了材料缺陷，顯著降低了漏電流。

利用該工藝制造出的薄膜電容器展現(xiàn)出了卓越的環(huán)境適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過低至零下196攝氏度（液氮溫度）的極寒，到高達(dá)400攝氏度的酷熱循環(huán)后，其儲能密度和效率的衰減很微弱（低于3%）。這意味著，無論是在冰冷的外太空，還是在火熱的地下油氣勘探井，它都能穩(wěn)定可靠地工作。

目前，研究人員已經(jīng)初步能在2英寸的硅晶圓上成功制備出均勻的高性能薄膜，為芯片級集成儲能提供了具備工業(yè)化潛力的解決方案。