钛酸锶钡铁电材料改性研究进展*

陈含笑，杨淇慧，盛 苏

(湖北师范大学 物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002)

0 引 言

钛酸锶钡(Ba1-xSrxTiO3, BST)因其优异的性能和新的技术应用而得到广泛的研究。它是一种重要的铁电材料，由于其介电常数高、光损耗低、铁电活性高、且与居里温度有关等特点，引起了研究人员和工程技术人员的极大兴趣[1]。随着电子器件向微型化、轻量化、集成化方向快速发展，寻找高可恢复性储能密度的电容器材料成为迫切需要。电容器的能量密度与材料的有效介电常数,击穿强度,真空介电常数有关。纳米复合材料加入合适的填充剂后，样品的能量密度可以增加[2]。因此，纳米复合材料在能量存储方面得到不断地研究。纳米粒子的良好分散和界面极化的增强可以改善复合材料的介电性能和电学性能。聚合物接枝BaTiO3纳米复合材料的显著改善突出了接枝纳米材料在优化高储能电容器材料方面的前景[3]。

介电材料的可恢复能量存储密度取决于极化[4]。因此，高介电常数材料的Pr以及Ps与Pr之间的巨大差异将成为高能量密度储能材料的发展方向。各种掺杂剂对铁电体在外场作用下的介电性能有很大的影响。因此，可以通过仔细控制ABO3钙钛矿结构中的掺杂种类以及a位点或b位点的掺杂浓度来调整这些铁电材料的预期性能[5-6]。BST的居里温度随(Ba, Sr)TiO3晶格中Sr的增加而线性下降，这使得铁电/顺电转变温度可以通过改变Sr的含量来适应特定的应用[7-9]。合成钛酸锶钡的方法有很多种，如固相烧结法[5,8]、磁控溅射[9]、脉冲激光沉积[10]、水热法[11]和溶胶凝胶法[12]等。不同的制备方法对材料的结构与性能会产生不同的影响。除与制备方法有关外，介电材料的性能还会受到化学成分、微观结构、掺杂剂类型和含量的影响。一些掺杂元素可以改善BST的电学性能[6，13]和光学性能[12,14]。

微波器件的介电材料应具有较低的介电常数、较低的损耗因数和较高的可调性[15]。由于顺电BST材料具有大的场依赖性和快速的场响应特性，对其介电性能和可调性能的研究越来越多。然而，在微波频率范围内的高介电损耗限制了它的进一步发展。Ba0.6-Sr0.4TiO3是具有低介电损耗和较高可调性的优良组合，因此常作为材料的基本组成。在ABO3型钙钛矿体系中，不仅可以通过控制Ba/Sr比来改变BST的介电性能[16]，还可以通过部分等价或异价阳离子的取代来改变BST的介电性能[17]。这些部分取代及其对BST陶瓷结构和介电性能的影响近年来得到了广泛的研究。

众所周知，铅基材料在制造太阳能电池器件方面具有优势，但对环境会造成污染。然而，钛酸锶钡(BaSrTiO3)这种无铅材料是钙钛矿型化合物，在适当的Ba∶Sr比例下，制备的BST膜可以得到最优的太阳能电池输出[7]。在传感器、执行器、光调制器、光学窗口和存储器、光学滤波器等电子和光电器件方面具有广阔的应用前景[18]。并且BaSrTiO3能够很好地容纳不同的掺杂剂，这些掺杂剂会影响半导体、电学和光学性能。此外，由于其具有良好的导电性，铁电材料可能成为合格的太阳能电池材料。

在这里，我们提供了钛酸锶钡的最新研究进展。以不同掺杂方式，不同基底和不同制备工艺对基于钛酸锶钡材料的性能影响进行了综述。综述主要分为三部分：(1)不同掺杂对BST性能的影响；(2)不同基底对BST性能的影响；(3)不同制备工艺对BST性能的影响。并对BST的研究现状进行了讨论。最后，讨论了当前钛酸锶钡材料在制造与应用方面面临的挑战、发展前景和未来的发展方向。

1 掺 杂

1.1 金属掺杂

众所周知，包括BST纳米材料在内的介电材料的性能会受到制备方法、化学成分、微观结构、掺杂剂类型和含量的影响。一些掺杂元素可以改善BST[6，13，17，19]的电学性能。

表1 不同ZrO2 掺杂BST(60/40)陶瓷的性能[6]

Sadeghzadeh等人[13]在室温下通过溶胶-凝胶法制备了掺杂铋的钛酸锶钡(Ba0.5Sr0.5TiO3)(BST)纳米粉，研究了Bi掺杂对BST粉体微观结构和介电性能的影响。在850℃煅烧2h的粉末样品随着Bi含量从2%增加到4%(摩尔分数)，样品的平均粒径从40 nm降低到35nm，表明Bi2+离子进入了钙钛矿结构的晶胞中。微晶尺寸随着温度的升高而增加。烧结过程不仅促进了致密化，而且还促进了晶粒长大，从而极大地提高了介电性能。烧结体密度在Bi含量为4%(摩尔分数)时达到最大值5.35 g/cm3。掺杂Bi含量为2%(摩尔分数)的样品在80 ℃时介电常数增加到最大约1 040，而掺杂量为4%(摩尔分数)的样品在70 ℃时介电常数增加到最大约910。Bi掺杂的BST陶瓷的介电常数值低是由于晶粒尺寸效应。对于所有掺Bi的BST陶瓷，介电常数的最大值随频率的增加而减小。这种现象表明，掺Bi的BST陶瓷表现出典型的弛豫性能。

Alkathy等人[6]通过常规固态反应法制备了纯的和掺杂有(10%、15%和20%(质量分数))ZrO2的Ba0.60Sr0.40TiO3陶瓷。掺Zr的BST(60/40)的结构是立方的，并且随着Zr含量的增加，衍射峰向较低的角度移动，这表明Zr原子进入到BST晶格中。不同烧结温度下的性能如表1。在1 400 ℃烧结4 h的样品均表现出致密的晶粒结构，并且随着ZrO2含量的增加晶粒尺寸减小。同时，在较低频率下具有较高的介电常数值，这可归因于所有类型的极化(电子，原子，界面和离子等)。Zr的取代使介电常数的频率稳定性提高，并且明显降低了介电损耗。这些介电特性使该组合物对电容器和能量存储应用具有吸引力。

众所周知，铅基材料在制造太阳能电池的性能器件方面具有优势，但对环境会造成污染。然而，钛酸锶钡(BaSrTiO3)这种无铅材料是钙钛矿型化合物，并且BaTiO3和SrTiO3能够很好地容纳不同的掺杂剂，通过掺杂可以增强电学和光学性能。

Kavitha[12,14]等研究了钨(W)掺杂和锌(Zn)掺杂的钛酸锶钡的光学性能。纯BST和掺钨的BST纳米粉(BSWT)的FESEM特征图如图1所示。由FESEM图谱可以看出，在向BST中增加掺杂剂的过程中，球状形态变为棒状结构。制备的纳米颗粒平均粒径在40 nm至100 nm之间。通过漫反射法对钨掺杂的样品的光学性质进行了表征。发现纯BST样品和钨掺杂样品在可见光区域显示吸收。增加掺杂剂浓度会使吸收光谱发生轻微偏移，进一步增加蚀刻时间会使吸收光谱发生红色偏移。所制备样品的能带隙(Eg)分别为3.11、2.94、2.86和2.72 eV。纯BST的带隙略高于掺杂钨的样品。在锌掺杂的钛酸锶钡钛酸盐(BSZT)的UV光谱中，随着BST样品中锌浓度的增加，强吸收边缘向较短波长(蓝移)侧移动。不同掺杂含量的光能转换效率分别为2.74、2.85、2.84和2.91。样品的光伏参数如表2。电学研究表明，向BST纳米粒子中添加W或Zn可以提高样品的电导率，因此它可用于储能和太阳能电池设备中。

根据水稻缺素发生僵苗的典型症状，相应地补施所缺元素。缺磷田块可施用过磷酸钙225～375kg/hm2；缺钾田块可施用氯化钾或硫酸钾112.5～225.0kg/hm2；缺锌田块可撒施硫酸锌15～30kg/hm2，或用0.2%的硫酸锌溶液叶面均匀喷雾。

表2 BST、BSZT1、BSZT2、BSZT3纳米粉体样品的光伏参数[12]

图1 (a)x=0, (b)x=0.2, (c)x=0.4, (d)x=0.6的BSWT场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像[14]Fig 1 Field emission scanning electron microscope (FESEM) images of (a) x=0, (b) x=0.2, (c) x=0.4 and (d) x=0.6 of pure and tungsten doped BST nano powders[14]

铁电Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)为室温钙钛矿菱面体结构，居里温度高(Tc=320 ℃)，饱和极化强，但较大的剩余极化不能满足储能应用。Luo[20]等发现BT改性NBT-ST，其组成为0.7NBT-0.26ST-0.04BT，具有优化的储能密度和效率。

为了改变陶瓷的微观结构和P-E行为，从而改善储能特性。Shen[21]等选择0.7NBT-0.26ST-0.04BT作为基础材料，掺杂碳酸锰(MnCO3)。掺杂的锰没有进入晶格，但促进了晶粒的生长，并且在晶界产生一些液态或沉淀的杂质颗粒。发现温度Tm随掺杂量的增加而逐渐增加，这与锰含量增加所引起的杂质增加有关。在室温附近，介电损耗的拐点随着锰含量的增加逐渐受到抑制。掺杂0.5%(摩尔分数)MnCO3的0.7NBT-0.26ST-0.04BT陶瓷，具有倾斜且细长的P-E磁滞回线，这主要是由于杂质对铁电的减弱以及晶界玻璃对主晶铁电相的钉扎作用。施加的电场仅为60 kV/cm时，陶瓷的最佳可回收能量密度和效率分别为0.63 J/cm3和65%。因此，该样品是一种有价值的固态储能陶瓷电容器材料。

在ABO3型钙钛矿体系中，可以通过部分取代a位点或b位点的等价或异价阳离子来改变BST的介电性能。铈是一种有吸引力的元素，可以在不同的价态(Ce3+和Ce4+)之间轻易地转换。Ce3+可以与多面配位的a位点交换，Ce4+可以进入八面配位的b位点。

Zhao[17]等人研究了铈掺杂对钛酸锶钡玻璃陶瓷介电性能的影响。铈含量在1%(摩尔分数)时主要作为ABO3钙钛矿结构的B位的等价掺杂物，随着铈含量的增加，逐渐在A位发生取代。玻璃陶瓷的晶粒尺寸没有随铈含量的变化而急剧变化但密度略有增加。XPS光谱发现在铈含量为2%(摩尔分数)的BST玻璃陶瓷中获得氧空位浓度的最大值，并同时获得介电常数和能量存储密度的最大值。阻抗谱表明，具有这种铈含量的玻璃陶瓷还显示出最低的阻抗实部值和最高的交流电导率。这种作用可以通过氧空位和电子浓度的增加来解释。随着铈含量进一步增加至3%(摩尔分数)，观察到相反的趋势。这些结果表明适度的铈掺杂有利于改善介电性能。

1.2 其他掺杂

为了提高材料的性能，通常单一金属掺杂可能是不够的，需要研究多掺杂或其他掺杂。除了通过掺杂对BST的介电性能研究外，还对铁电性能，光学性能进行了研究。

Shen[22]等采用BST+y%BBSZ(y=0,2,4,7,10，质量分数)的传统固相反应方法，制备了由B2O3-Bi2-O3-SiO2-CaO-BaO-Al2O3-ZrO2(BBSZ)玻璃改性的BaxSr1-xTiO3(BST，x=0.3,0.4)陶瓷。陶瓷样品的主晶相为立方钙钛矿结构。对于BBSZ改性的BST样品，可以检测到杂质相。室温下，在100 Hz至1 MHz的频率范围内，随着BBSZ玻璃含量的增加，介电常数逐渐降低，并伴随10-3～10-4的低介电损耗。在1 kHz下，BBSZ玻璃的改性可以强烈抑制Tc处的介电常数峰。当测量温度超过150℃时，BBSZ玻璃改性的BST陶瓷的介电损耗仍保持较低水平。这可能是由于晶界上的BBSZ玻璃相抑制了高温下的电荷传输，从而减少了泄漏损失。室温下，陶瓷的极化随BBSZ含量的增加而略有下降，对于Ba0.3Sr0.7TiO3+2%BBSZ陶瓷，在160 kV/cm的施加电场下可以获得最佳的储能密度(g=0.63 J/cm3)和效率(h=91.6%)。

绿色植物的叶绿素能最大限度地捕捉光线，通过光合作用将太阳辐射能转化为化学能。光学性质决定了薄膜的特性。其中，光学常数与成分和带隙等参数相关联。从反射光谱可以看出BST的光学性质。目前，钛酸锶钡已经应用于红外传感器、光传感器、温度传感器、气体传感器等电子设备的生产中。问题是半导体材料仍然需要掺杂来增加电介质。叶绿素可掺杂硫化锌薄膜用于染料敏化太阳能电池的发展[23]。

Palupi等人[19，24]采用自旋镀膜技术分别研究了掺杂芥末叶绿素和木薯叶叶绿素的Ba0.2Sr0.8TiO3薄膜的结构和性能。随着叶绿素掺杂浓度的增加，衍射角在每个峰值衍射强度处都朝着更大的角度偏移。增加这种掺杂剂浓度有望减少晶体缺陷的数量并增加强度。根据拉曼光谱，该膜可以最大程度地吸收在可见光光谱中的最大波长光。UV-Vis反射光谱分析结果表明，掺杂2.5%和掺杂5%木薯叶叶绿素的BST反射模式比未掺杂的BST更规则。发现随着叶绿素掺杂浓度的增加，反射率和振幅增加。并且，在BST溶液中添加叶绿素可以降低BST膜的折射率和能隙值。

1.3 小 结

BST陶瓷的电性能会受到微观结构，晶粒结构和晶粒尺寸等物理特征的影响。这些物理特征可通过调节制备工艺参数来控制。烧结可以促进样品致密化并促进晶粒长大，从而极大地提高介电性能。掺杂剂也可以影响钛酸锶钡的致密化和微观结构。由于离子半径之间的差异会引起晶格参数的变化。介电常数是储能密度的重要因素，较大的晶粒尺寸通常会导致较大的极化，从而提供较高的介电常数值。介电常数的最大值和介电损耗随掺杂Bi含量的增加而降低，表现出典型的弛豫性能。Zr的取代使介电常数的频率稳定性提高，并且明显降低了介电损耗，使该组合物对电容器和能量存储应用具有吸引力。Mn的掺杂可以有效抑制介电损耗，提高BST的介电性能，适量的掺杂能够提高可回收能量密度和效率，是一种有价值的固态储能陶瓷电容器材料。铈掺杂可以提高BST样品的密度，适度的铈掺杂有利于改善介电性能。叶绿素的掺杂有望减少材料的晶体缺陷并增加强度，同时可提高样品的反射率。

2 不同衬底

2.1 不同衬底对BST性能的影响

钙钛矿结构材料因其优异的介电性能，在储能领域得到了广泛的研究。BaxSr1-xTiO3(x=0.4)因其介电常数高、介电损耗低而被认为是一种潜在的高储能材料。而纯BaxSr1-xTiO3(x=0.4)陶瓷由于BDS较小而导致储能密度较低。Liu等人[8]发现BDS与陶瓷的晶粒尺寸成反比，在相同的外加电场下，细晶陶瓷的储能效率高于粗晶陶瓷。因此，减小陶瓷的晶粒尺寸是提高BDS和陶瓷储能密度的有效途径。

Liu等人[25]利用草酸盐共沉淀法制备了平均粒径约100nm的Ba0.3Sr0.7TiO3纳米颗粒，并通过斯托伯法将二氧化硅均匀地涂覆在Ba0.3Sr0.7TiO3颗粒的表面上，形成均匀的核-壳结构。所有陶瓷样品的主相均为立方钙钛矿结构，加入二氧化硅后出现第二相。随着二氧化硅含量的增加，陶瓷的晶粒尺寸明显降低。在室温1kHz下介电常数从纯Ba0.3Sr0.7TiO3陶瓷的625降低到Ba0.3Sr0.7TiO3-4wt%SiO2陶瓷的190。Ba0.3Sr0.7TiO3-3wt%SiO2陶瓷的晶粒尺寸约为300nm，储能效率达到82.2%，其放电能量存储密度为1.52 J/cm3，是纯Ba0.3Sr0.7TiO3陶瓷的3.3倍。这表明二氧化硅涂覆的钛酸锶钡可以产生优异的储能性能，是具有高能量存储密度的有前途的材料。

Nedelcu等人[10]采用一种新的THz-TDS方法研究了在MgO和Al2O3单晶衬底上制备的Ba0.6Sr0.4-TiO3(BST)铁电厚膜的介电性能。所制备样品均表现出多晶立方钙钛矿结构，所有的峰都归属于Pm3m空间组。在MgO上获得的BST比在Al2O3上沉积的BST致密。两个样品在2.8 GHz时表现出相似的介电常数。由于Al2O3基板的介电损耗较低，因此可以研究THz-TDS设置覆盖的整个频率范围，而MgO基板在2.8 THz以上的频率范围内的损耗过高。BST/MgO和BST/Al2O3双层结构的THz-TDS数据通过一种专门为沉积在低介电损耗衬底上的薄膜样品开发的程序进行了分析，BST介电常数的实部从200 GHz时的约120降低到2.3 THz时的约70，然后又开始增加。在相同的时间间隔中，介电常数的虚部从200 GHz时的约15增加到2.3 THz时的约65。对于两种类型的衬底，均获得了具有较强首选(111)取向和表面粗糙度低于其厚度1.5%的单相样品。推断折射率在630 nm约为2.05，而直到3.3 eV才可见光干涉。

2.2 小 结

陶瓷的晶粒尺寸可以影响BDS和储能密度。通过减小陶瓷的晶粒尺寸可以有效提高陶瓷的BDS和储能密度。SiO2层可以有效地抑制晶粒生长并降低陶瓷的孔隙率。BST样品的介电常数随二氧化硅涂层的增加而逐渐降低，但储能效率大大提高。因此，二氧化硅涂覆的钛酸锶钡是具有高能量存储密度的有前途的材料。在MgO和Al2O3单晶衬底上制备的Ba0.6-Sr0.4TiO3(BST) 生长方式不同，但表现出相似的介电常数。

3 不同制备条件对BST材料的性能影响

前面提到，合成钛酸锶钡的方法有很多种，不同的制备方法对材料的结构与性能会产生不同的影响。Guo等人[26]利用电泳沉积制备钛酸锶钡(Ba0.7Sr0.3-TiO3)铁电薄膜，讨论了烧结时间对薄膜性能的影响。在1 350 ℃下，随着烧结时间从2 h增加到8 h，晶粒尺寸变得清晰。发现烧结时间为8小时，制备的薄膜最致密，微观结构更均匀。在1 350 ℃下烧结时间从2 h增加到8 h，介电常数从3.1×103增加到5.1×103，并且耗散系数从0.092降低到0.061。然而，进一步烧结至10 h导致变化方向相反，介电常数降低到4.9×103。这种趋势可以用微观结构演变来解释。具有均匀晶粒尺寸的致密结构具有最佳的介电性能。

溶胶凝胶法是一种低成本且能更好控制成分的制备薄膜的方法。Xiao等人[27]通过控制溶胶浓度、旋涂速度和时间、多层涂膜数量和退火工艺，采用旋涂法制备了厚度约为100 nm的BST/Si-NPA薄膜。所制备的BST薄膜涂层均匀且致密，并且覆盖Si-NPA衬底的柱状表面。根据XPS光谱分析，BST/Si-NPA膜的成分中不存在Si，这表明氧化硅能够阻止膜与衬底之间的扩散。退火温度低于500 ℃时，没有BST特征峰出现。而退火温度高于600 ℃时，发现了与Si(111)和多晶钙钛矿BST相对应的峰。随着退火温度的降低，样品的结晶度提高，晶粒尺寸增大。在0到10 V的施加偏压下，在600 ℃退火的Ba0.7Sr0.3TiO3/Si-NPA的漏电流密度小于10-8A/cm2，表明具有良好的绝缘性能。随着退火温度的升高，Pr和Ec从600 ℃时的1.65 C/cm2和4.37 kV/mm增大到800 ℃下的4.57 C/cm2和7.61 kV/mm。Pr和Ec值的变化高度依赖于BST纳米微晶的生长。溶胶-凝胶法制备的BST/Si-NPA膜具有较高的Pr和较低的Ec。因此，可作为非易失性随机存取存储器(NVRAM)中最理想的候选膜之一。

制备工艺的优化和化学成分的改性有助于提高铁电薄膜的介电性能。新型异质结构可以显著提高材料的电学性能。异质结构的单层厚度对异质结构薄膜的性能起着重要的作用，随着薄膜厚度的减小，介电常数通常急剧下降[28]。单层膜厚与电容特性之间的关系需要进一步研究，特别是对于基于异质结构铁电多层膜的薄膜电容器。

Chen[9]等利用射频磁控溅射法制备了不同BST膜厚度的BST/LNO异质结构薄膜。发现BST层的面外晶格参数最初随着BST层厚度的增加而减小，直到BST层厚度达到73 nm为止。因此，面内压缩应力在BST层的应变中很重要，并且在约73 nm处松弛。对于大于73nm的厚度，面内拉应力的影响更大，并且随着BST层厚度的增加而缓解。同时发现BST膜的生长速度随着膜厚度的增加而增加。超过临界厚度，增长率仅略有变化。随着BST层厚度的增加，具有压缩应力的BST层的介电常数从177增加到2640。具有拉应力的BST层显示出相对稳定的为2 400的介电常数。此外，在具有约73 nm BST层的BST/LNO异质结构薄膜中，电击穿强度达到最大值1 237 kV/cm。并且发现，较薄的BST层可以实现更大的薄膜电容密度。

Luo[20]等使用固态反应法制备了(0.74-x)(Na0.5Bi0.5)TiO3-xBaTiO3-0.26SrTiO3陶瓷。发现Ba的掺杂可以有效抑制晶粒的生长，形成小而均匀的晶粒。在1 kHz下测得具有不同x值NBT-xBT-ST的介电常数和损耗的温度依赖性。随着Ba掺杂量的增加，Tm逐渐减小。发现纯NBT-ST陶瓷的去极化温度Td大约在45 ℃，Td下降到室温以下，Ba掺杂后的曲线中未观察到Td。对于纯NBT-ST陶瓷样品，实现了弱双磁滞回线，这应与45℃下的Td有关。Ba掺杂样品的剩余极化Pr和矫顽场Ec降低。根据P-E回线计算得出有效能量存储密度和效率，随着钡掺杂量的增加，能量密度和效率先增加后逐渐降低。在x=0.04的NBT-xBT-ST陶瓷样品中获得最大值γ=0.47 J/cm3和η= 48.67%，这表明合成的样品在固态压缩型脉冲功率电容器中有潜在的应用。

Dong[11]等使用乙酸钡，乙酸锶和钛酸四丁酯在N，N-二甲基乙酰胺存在下制备了钛酸钡锶高度分散的结晶纳米颗粒。在120 ℃下合成样品的结晶度明显比在140 ℃下合成的样品差，表明在更高的温度下BST的结晶形成更好。在没有退火处理的N，N-二甲基乙酰胺存在下，随着合成温度从120 ℃增加到140 ℃，介电常数明显增加，介电损耗略微降低。室温下，随着频率从25 Hz到1 kHz，介电常数突然降低。在1 kHz以上，介电常数的降低随着频率的增加而趋于平坦。随着频率从25 Hz增加到3 kHz，介电损耗从1.2%(1.5%)提高到最大3.6%(3.7%)。当频率进一步增加时，这两条曲线呈现出明显的下降趋势。这可以归因于在高频下减小的弛豫效应，导致限制了BST陶瓷中的移动电荷。

与传统烧结技术(CS)相比，现场辅助烧结技术/ Spark等离子烧结(FAST / SPS)备受关注，因为其更好的致密化提高了导电和绝缘材料的能力，并且耗能更低，耗时更短[29]。Zhai等人[30]使用超细源纳米晶体通过SPS方法合成了在室温下具有铁电/顺电相变的Ba0.7Sr0.3TiO3陶瓷片。凝结的陶瓷片是通过SPS在900和1 000 ℃的烧结温度下制成的。发现在1 000 ℃烧结的样品结晶更好，晶粒尺寸在500 nm左右。制成的薄片是完全致密且无缺陷的多晶陶瓷，在很宽的频率范围内具有出色的介电和铁电性能。其介电常数在很宽的频率范围(100 Hz～2 MHz)中超过3 000，介电损耗低至0.03。阻抗频谱显示出典型的介电阻抗行为以及出色的电容和绝缘性能。样品具有较高的介电常数和介电强度，直流击穿强度为240 kV/cm，储能密度超过1 J/cm3。表明SPS方法、均相源纳米晶体以及对纳米晶体化学计量的精确控制的协同作用可实现材料出色的性能。

4 结 语

溶胶-凝胶法制备的掺杂铋的Ba0.5Sr0.5TiO3纳米粉随着Bi含量的增加，其平均粒径逐渐降低。掺杂量为2%(摩尔分数)时，介电常数最大值约为1 040，掺杂量为4%(摩尔分数)时介电常数最大值约910。掺杂ZrO2的Ba0.60Sr0.40TiO3陶瓷在1 400 ℃烧结4 h可得到致密的晶粒结构，随着ZrO2含量的增加晶粒尺寸逐渐减小。同时，在低频下具有较高的介电常数值。W或Zn的掺杂可以提高BST样品的电导率。增加Zn掺杂的含量可以提高样品的光能转换效率。铈的掺杂可以改变BST玻璃陶瓷中的氧空位浓度，并能够获得较高的介电常数和能量存储密度。对于Ba0.3Sr0.7TiO3+2%BBSZ陶瓷，在160kV/cm的施加电场下可获得最佳储能密度(g=0.63 J/cm3)和效率(h=91.6%)在Ba0.2Sr0.8TiO3薄膜中掺杂叶绿素有望减少晶体缺陷的数量。并且，制备的薄膜可以最大程度地吸收在可见光光谱中的最大波长光。二氧化硅涂覆的钛酸锶钡可以产生优异的储能性能，Ba0.3Sr0.7-TiO3-3wt%SiO2陶瓷的储能效率达到82.2%，其放电能量存储密度为1.52 J/cm3，是纯Ba0.3Sr0.7TiO3陶瓷的3.3倍。在MgO和Al2O3单晶衬底上制备的Ba0.6-Sr0.4TiO3铁电厚膜在2.8GHz时表现出相似的介电常数。在200 GHz到2.3 THz的频率范围内，介电常数的实部逐渐降低，虚部逐渐增加。利用电泳沉积制备的Ba0.7Sr0.3TiO3铁电薄膜，在1 350 ℃下烧结时间从2 h增加到8 h，介电常数从3.1×103增加到5.1×103，耗散系数从0.092降低到0.061。利用SPS方法合成的Ba0.7Sr0.3TiO3陶瓷片，储能密度超过了1 J/cm3。

关于钛酸锶钡性能改进的讨论主要分为三类:掺杂、不同基底和不同制备条件。电容器的能量密度与材料的有效介电常数,击穿强度,真空介电常数有关。为了提高材料的储能性能，可通过以下方法来改进：(1)通过掺杂获得具有高介电常数和低介电损耗的新型材料；(2)通过对有机-无机界面的改善来降低损耗；(3)在提高或保持击穿强度的同时，提高复合材料的介电常数是获得高储能密度复合材料的关键；(4)填充剂可以使纳米复合材料样品的能量密度增加。因此，可通过选择合适的填充剂来提高能量密度；(5)通过改进制备方法或实现对加工条件的精准控制，以减少结构性缺陷，从而获得高击穿强度；(6) 最后，需要进一步发展规模化生产工艺，以足够低的成本生产大面积、高质量的新型聚合物介质薄膜。