新華社沈陽11月15日電（記者王瑩）近日，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攜手合作者，開發出一種熱處理升降溫速率可達每秒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。相關成果于11月15日凌晨發表在《科學進展》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、新能源汽車等應用的功率電子器件中，有一類名為“電介質儲能電容器”的元件至關重要，它們以極高的功率快速充放電，并且極其耐用。然而，科學家們一直面臨一個難題：如何讓這些電容器在保持強大儲能能力的同時，還能經受住從極寒到酷熱的極端溫度考驗，并且易于大規模生產。
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。據介紹，這項工藝技術可以將材料在高溫下的特殊結構“凍結”在室溫，形成了尺寸不到3納米的納米微疇。這些微小的結構如同一個精密的迷宮，是誘導弛豫反鐵電行為，實現高效率儲能的關鍵。同時，“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出了卓越的環境適應性。實驗表明，經過低至零下196攝氏度（液氮溫度）的極寒，到高達400攝氏度的酷熱循環后，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，它都能穩定可靠地工作。
目前，研究人員已經初步能在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化潛力的解決方案。
