2025-11-21 15:05
导语
电子设备储能瓶颈终于被打破！中科院金属所胡卫进研究员团队在国际顶级期刊《Science Advances》发表颠覆性研究成果，开发出每秒1000°C超快升温的闪速退火技术，仅用1秒钟就成功制备出高性能弛豫型反铁电薄膜，储能密度突破63.5 J/cm³，比传统方法提升5倍！这项技术不仅解决了困扰学界数十年的储能密度与稳定性难以兼得的难题，更具备晶圆级量产能力，为新能源汽车、航空航天等高端领域的储能器件小型化带来了革命性突破！
研究亮点
秒级超快制备：采用1000°C/秒超快升降温技术，1秒完成薄膜结晶，效率提升千倍
破纪录储能性能：储能密度达63.5 J/cm³，效率80%，性能提升5倍
卓越温度稳定性：在250°C高温下性能衰减不足3%，远超现有材料
晶圆级量产工艺：在5.08cm晶圆上实现均匀制备，具备产业化潜力
图文解析
图1 技术创新与性能突破
图1A揭示了通过快速淬火保留高温纳米畴结构的设计原理。图1B展示的电磁感应加热结合液氮冷却系统，实现了每秒1000°C的超快热处理。与传统千秒级退火相比，FHC技术将工艺时间缩短至秒级，效率提升三个数量级！电学性能测试显示，FHC样品呈现典型的弛豫特性，介电常数达到404，较传统方法提升2.5倍。
图2 微观结构揭秘
高温XRD分析表明，FHC技术成功将高温顺电相结构“冻结”至室温，晶格常数c/a比始终接近1，证实其接近立方对称性。HAADF-STEM分析显示，RAFE薄膜中形成了1-3nm的纳米畴结构，而传统方法只能获得大于10nm的长程有序畴。相场模拟从理论上解释了这一结构演化规律。
图3 材料特性优化
表面形貌分析显示，FHC薄膜具有更低的表面粗糙度，晶界宽度和深度分别降至22nm和1.0nm。化学组成分析表明，FHC处理有效抑制了铅挥发，Pb/Zr原子比从传统方法的0.84提升至1.01，接近完美化学计量比。
图4 电性能全面升级
FHC薄膜在保持70μC/cm²高极化强度的同时，击穿场强达到4827kV/cm，突破了传统介电材料中高介电常数与高击穿场强难以兼得的限制。漏电流密度低至10⁻⁸A/cm²，比传统薄膜降低了五个数量级。
图5 可靠性与扩展性验证
经过100次液氮至400°C的极端热循环后，FHC薄膜性能保持稳定，储能密度仅从63.5J/cm³降至63.3J/cm³。在5.08cm晶圆尺度上制备的薄膜表现出良好均匀性，储能密度为54.5±2.7J/cm³，证明了FHC技术具备规模化生产潜力。
⚙️ 技术支撑
闪速退火系统：集成电磁感应加热与液氮冷却，实现1000°C/秒超快热处理
多尺度表征平台：结合XRD、STEM、TKD等先进手段，深度解析材料结构
相场模拟技术：从理论层面揭示纳米畴结构形成机制
晶圆级制备工艺：具备大规模均匀制备能力，为产业化铺平道路
总结与展望
这项突破性研究不仅创造了储能密度的新纪录，更开创了“超快热处理调控材料结构”的全新技术范式。通过在1秒钟内实现传统方法需要数小时才能完成的材料优化，该技术为下一代储能器件的发展指明了方向。随着在Pb(Zr₀.₅₂Ti₀.₄₈)O₃等更多材料体系中的成功验证，这项技术有望在新能源汽车、智能穿戴、航空航天等领域快速落地，推动中国在高端电子材料领域实现跨越式发展！
文献信息
Yizhuo Li, Kepeng Song, Meixiong Zhu, et al.
Flash annealing–engineered wafer-scale relaxor antiferroelectrics for enhanced energy storage performance.
Science Advances, 2025, 11, eady2349.
DOI: 10.1126/sciadv.ady2349