BaTiO3-Based Ferroelectric Thin Film Capacitor on Silicon for Ultra-High Energy Storage Performance at Low Electric Field Strength

电容器 铁电性 电介质 电场 介电常数 钛酸钡 材料科学 极化(电化学) 储能 电气工程 物理 光电子学 化学 电压 工程类 量子力学 物理化学 功率(物理)
作者
Ye Fan,Xin‐Gui Tang,Peng-Zu Ge,Yanping Jiang,Qiu‐Xiang Liu
出处
期刊:IEEE Electron Device Letters [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:44 (8): 1376-1379 被引量:1
标识
DOI:10.1109/led.2023.3287977
摘要

In the case of dielectric energy storage devices, excessive pursuit of giant electric fields means greater exposure to high temperatures and insulation damage risk. Ferroelectric thin film devices offer opportunities for energy storage needs under finite electric fields due to their intrinsically large polarization and the advantage of small size. Herein, we designed the capacitor’s dielectric layer by doping barium titanate Ba(1-x)CexTiO3 (BCTO). The addition of highly charged ions Ce3+ induce cell shrinkage thus further optimizing the ferroelectric polarization. Accordingly, the capacitor with Au/BCTO/Au structure integrated directly on silicon substrate showed excellent energy storage performance ( ${W} _{\text {rec}}~\approx ~92.6$ J/cm3 and $\eta ~\approx ~86.5$ %) under only 1961 kV/cm. In addition, we significantly increased the electrical breakdown strength from 1726 kV/cm to 3426 kV/cm by adjusting the Ba0.95Ce0.05TiO3 film thickness, thus achieving ultra-high energy storage density (107.9 J/cm3). The results expand the application prospects of silicon-based ferroelectric capacitors for energy storage at low electric field strength.
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