技术领域
本发明涉及陶瓷电容器，具体的涉及一种耐高压高储能薄膜电容器。
背景技术：
随着高能量密度技术及应用的发展，对高效存储和提供电能设备的研究重要性愈发凸显，与其他电能存储器件(化学电池、燃料电池、超级电容器、电解电容器和高分子薄膜电容器)相比，陶瓷电容器具有高介电常数、高功率密度及良好的温度稳定性，击穿强度低。
高储能密度电容器在高电压等级电容储能系统中可用于改善电能质量，如有源滤波；可用于储能缓冲、平滑电源负载波动，可用于常规储能或回收应用，如轨道交通制动能量回收等。电容器技术以它的灵活性及可适应性能够很好满足在微秒至毫秒范围内电能存储、放电、滤波和功率调谐器件的使用要求。近年来，随着高新技术的发展，国民经济和国防军工领域对电能储备材料产生的大量新的应用需求以及器件小型化的发展趋势，具有高储能、易集成、轻质量、低成本、高可靠性等全方位突出指标的新型储能材料已经成为研究的热点，薄膜在电容器中的研究及应用受到广泛关注。
钙钛矿结构的(Na0.5Bi0.5)TiO3-(K0.5Bi0.5)TiO3(NKBT)二元体系是一种具有优异电学性能的无铅陶瓷材料，包括强介电性、良好的铁电压电性以及优异的热释电和电热性能，是制备陶瓷电容器的理想材料，但是其制备方法工艺较复杂，条件不易控制。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种耐高压高储能薄膜电容器，其介电常数高，储能量大，温度稳定性好。
本发明还公开了该薄膜电容器的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种耐高压高储能薄膜电容器，该薄膜电容器以Si为衬底，由顺序叠接在衬底上的金属下电极层、下耐击穿子层、钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层、上耐击穿子层以及金属上电极层，其中，所述的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层的组成通式为(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3，0<x≤0.4。
作为上述技术方案的优选，所述金属下电极层的材料为Pt，金属上电极层的材料为Au。
作为上述技术方案的优选，所述下耐击穿子层和上耐击穿子层为二氧化硅、氧化铝或氮化硅。
一种耐高压高储能薄膜电容器的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备具有Pt电极的Si衬底：用磁控溅射方法在硅基底上沉积一层厚度为100-200nm的金属下电极层Pt；
(2)在金属下电极层上采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法沉积一层厚度为20-50nm的下耐击穿子层二氧化硅、氧化铝或氮化硅，然后将硅衬底干燥，之后用快速热处理炉在500-600℃下处理30-60s并随炉冷却；
(3)制备Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3，0<x≤0.4前驱体溶液，然后制备Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜；
(4)在钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层上采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法沉积一层厚度为20-50nm的上耐击穿子层二氧化硅、氧化铝或氮化硅；
(5)用磁控溅射方法在上耐击穿子层上沉积一层厚度为100-200nm的金属上电极层Au，得到耐高压高储能薄膜电容器。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3前驱体溶液的制备方法，具体包括以下步骤：
1)以去离子水为溶剂，加入异丙醇、乙酰丙酮和冰醋酸，室温下混合搅拌1-1.5h，得到混合溶液；
2)将钛酸四丁酯、硝酸铋、乙酸钾、乙酸钠和乙酸钪依次加入步骤1)所得的混合溶液中，室温下搅拌1-2h，搅拌完毕后过滤，并加入螯合剂甲酰胺，得到Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3前驱体溶液。
作为上述技术方案的优选，步骤2)中，所述硝酸铋、乙酸钠、乙酸钾和钛酸四丁酯的摩尔比为(0.8-2)：(1.42-2.8)：(0.25-0.5)：(1-3)。
作为上述技术方案的优选，步骤1)中，所述异丙醇、乙酰丙酮、冰醋酸的摩尔比为(1-2)：(1-2)：(4-6)
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中所述Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜的制备方法具体包括以下步骤：
a)将Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3前驱体溶液滴加到步骤(2)所得衬底上，启动匀胶机进行匀胶，首先以300-500转/分的转速匀胶6-10s，然后在4000-6000转/分的转速下甩胶30-60s，得到薄膜；
b)将步骤a)得到的薄膜放入烘箱中，80-120℃下干燥处理，时间为10-20min，然后放入快速热处理炉中进行热解，热解温度为300-400℃，时间为2-5min，然后在空气气氛下进行快速退火，退火温度为600-800℃，退火时间为2-5min；
c)重复a)-b)的步骤，直至得到300-500nm厚的压电薄膜；
d)将厚度为300-500nm的压电薄膜放入快速热处理炉中，在空气气氛下进行快速退火，退火温度为600-800℃，退火时间为6-12min，得到不同比例的Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用硅为衬底，并采用Pt作为金属下电极层，钪掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜作为储能层，且储能层与金属下电极层之间有下耐击穿子层，制备的薄膜电容器具有较高的介电常数，击穿强度高，从而其储能密度得以大大提高；
且本发明提供的薄膜电容器制备方法简单，储能层结晶性好，表面致密均匀，界面清晰，压电特性好。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
实施例1
一种耐高压高储能薄膜电容器，该薄膜电容器以Si为衬底，由顺序叠接在衬底上的100nm厚的金属下电极层、20nm厚的下耐击穿子层、300nm厚的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层、20nm厚的上耐击穿子层以及100nm厚的金属上电极层，其中，所述的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层的组成通式为(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3，0<x≤0.4。
其制备方法包括以下步骤：
1)制备具有Pt电极的Si衬底：用磁控溅射方法在硅基底上沉积一层厚度为100nm的金属下电极层Pt；
(2)在金属下电极层上采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法沉积一层厚度为20nm的下耐击穿子层二氧化硅、氧化铝或氮化硅，然后将硅衬底干燥，之后用快速热处理炉在500℃下处理30s并随炉冷却；
(3)制备Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3，0<x≤0.4前驱体溶液：
1)以去离子水为溶剂，加入0.1mol异丙醇、0.1mol乙酰丙酮和0.4mol冰醋酸，室温下混合搅拌1h，得到混合溶液；
2)将0.1mol钛酸四丁酯、0.08mol硝酸铋、0.025mol乙酸钾、0.142mol乙酸钠和0.01mol乙酸钪依次加入步骤1)所得的混合溶液中，室温下搅拌1h，搅拌完毕后过滤，并加入螯合剂甲酰胺，得到Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3前驱体溶液；
(4)然后制备Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜：
a)将Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3前驱体溶液滴加到步骤(2)所得衬底上，启动匀胶机进行匀胶，首先以300转/分的转速匀胶6s，然后在4000转/分的转速下甩胶30s，得到薄膜；
b)将步骤a)得到的薄膜放入烘箱中，80℃下干燥处理，时间为10min，然后放入快速热处理炉中进行热解，热解温度为300℃，时间为2min，然后在空气气氛下进行快速退火，退火温度为600℃，退火时间为2min；
c)重复a)-b)的步骤，直至得到300nm厚的压电薄膜；
d)将厚度为300nm的压电薄膜放入快速热处理炉中，在空气气氛下进行快速退火，退火温度为600℃，退火时间为6min，得到不同比例的Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜；
(5)在钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层上采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法沉积一层厚度为20nm的上耐击穿子层二氧化硅、氧化铝或氮化硅；
(6)用磁控溅射方法在上耐击穿子层上沉积一层厚度为100nm的金属上电极层Au，得到耐高压高储能薄膜电容器。
实施例2
一种耐高压高储能薄膜电容器，该薄膜电容器以Si为衬底，由顺序叠接在衬底上的200nm厚的金属下电极层、50nm厚的下耐击穿子层、500nm厚的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层、50nm厚的上耐击穿子层以及200nm厚的金属上电极层，其中，所述的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层的组成通式为(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3，0<x≤0.4。
其制备方法包括以下步骤：
1)制备具有Pt电极的Si衬底：用磁控溅射方法在硅基底上沉积一层厚度为200nm的金属下电极层Pt；
(2)在金属下电极层上采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法沉积一层厚度为50nm的下耐击穿子层二氧化硅、氧化铝或氮化硅，然后将硅衬底干燥，之后用快速热处理炉在600℃下处理60s并随炉冷却；
(3)制备Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3，0<x≤0.4前驱体溶液：
1)以去离子水为溶剂，加入0.2mol异丙醇、0.2mol乙酰丙酮和0.6mol冰醋酸，室温下混合搅拌1-1.5h，得到混合溶液；
2)将0.3mol钛酸四丁酯、0.2mol硝酸铋、0.05mol乙酸钾、0.28mol乙酸钠和0.04mol乙酸钪依次加入步骤1)所得的混合溶液中，室温下搅拌2h，搅拌完毕后过滤，并加入螯合剂甲酰胺，得到Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3前驱体溶液；
(4)然后制备Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜：
a)将Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3前驱体溶液滴加到步骤(2)所得衬底上，启动匀胶机进行匀胶，首先以500转/分的转速匀胶10s，然后在6000转/分的转速下甩胶60s，得到薄膜；
b)将步骤a)得到的薄膜放入烘箱中，120℃下干燥处理，时间为20min，然后放入快速热处理炉中进行热解，热解温度为400℃，时间为5min，然后在空气气氛下进行快速退火，退火温度为800℃，退火时间为5min；
c)重复a)-b)的步骤，直至得到500nm厚的压电薄膜；
d)将厚度为500nm的压电薄膜放入快速热处理炉中，在空气气氛下进行快速退火，退火温度为800℃，退火时间为12min，得到不同比例的Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜；
(5)在钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层上采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法沉积一层厚度为50nm的上耐击穿子层二氧化硅、氧化铝或氮化硅；
(6)用磁控溅射方法在上耐击穿子层上沉积一层厚度为200nm的金属上电极层Au，得到耐高压高储能薄膜电容器。
实施例3
一种耐高压高储能薄膜电容器，该薄膜电容器以Si为衬底，由顺序叠接在衬底上的150nm厚的金属下电极层、30nm厚的下耐击穿子层、350nm厚的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层、30nm厚的上耐击穿子层以及150nm厚的金属上电极层，其中，所述的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层的组成通式为(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3，0<x≤0.4。
其制备方法包括以下步骤：
1)制备具有Pt电极的Si衬底：用磁控溅射方法在硅基底上沉积一层厚度为150nm的金属下电极层Pt；
(2)在金属下电极层上采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法沉积一层厚度为30nm的下耐击穿子层二氧化硅、氧化铝或氮化硅，然后将硅衬底干燥，之后用快速热处理炉在550℃下处理40s并随炉冷却；
(3)制备Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3，0<x≤0.4前驱体溶液：
1)以去离子水为溶剂，加入0.12mol异丙醇、0.12mol乙酰丙酮和0.45mol冰醋酸，室温下混合搅拌1.1h，得到混合溶液；
2)将0.15mol钛酸四丁酯、0.1mol硝酸铋、0.035mol乙酸钾、0.162mol乙酸钠和0.01mol乙酸钪依次加入步骤1)所得的混合溶液中，室温下搅拌1.2h，搅拌完毕后过滤，并加入螯合剂甲酰胺，得到Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3前驱体溶液；
(4)然后制备Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜：
a)将Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3前驱体溶液滴加到步骤(2)所得衬底上，启动匀胶机进行匀胶，首先以350转/分的转速匀胶7s，然后在4500转/分的转速下甩胶40s，得到薄膜；
b)将步骤a)得到的薄膜放入烘箱中，90℃下干燥处理，时间为12min，然后放入快速热处理炉中进行热解，热解温度为350℃，时间为3min，然后在空气气氛下进行快速退火，退火温度为650℃，退火时间为3min；
c)重复a)-b)的步骤，直至得到350nm厚的压电薄膜；
d)将厚度为350nm的压电薄膜放入快速热处理炉中，在空气气氛下进行快速退火，退火温度为650℃，退火时间为7min，得到不同比例的Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜；
(5)在钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层上采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法沉积一层厚度为30nm的上耐击穿子层二氧化硅、氧化铝或氮化硅；
(6)用磁控溅射方法在上耐击穿子层上沉积一层厚度为150nm的金属上电极层Au，得到耐高压高储能薄膜电容器。
实施例4
一种耐高压高储能薄膜电容器，该薄膜电容器以Si为衬底，由顺序叠接在衬底上的180nm厚的金属下电极层、40nm厚的下耐击穿子层、400nm厚的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层、40nm厚的上耐击穿子层以及180nm厚的金属上电极层，其中，所述的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层的组成通式为(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3，0<x≤0.4。
其制备方法包括以下步骤：
1)制备具有Pt电极的Si衬底：用磁控溅射方法在硅基底上沉积一层厚度为180nm的金属下电极层Pt；
(2)在金属下电极层上采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法沉积一层厚度为40nm的下耐击穿子层二氧化硅、氧化铝或氮化硅，然后将硅衬底干燥，之后用快速热处理炉在550℃下处理50s并随炉冷却；
(3)制备Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3，0<x≤0.4前驱体溶液：
1)以去离子水为溶剂，加入0.14mol异丙醇、0.14mol乙酰丙酮和0.5mol冰醋酸，室温下混合搅拌1.2h，得到混合溶液；
2)将0.2mol钛酸四丁酯、0.15mol硝酸铋、0.04mol乙酸钾、0.2mol乙酸钠和0.02mol乙酸钪依次加入步骤1)所得的混合溶液中，室温下搅拌1.6h，搅拌完毕后过滤，并加入螯合剂甲酰胺，得到Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3前驱体溶液；
(4)然后制备Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜：
a)将Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3前驱体溶液滴加到步骤(2)所得衬底上，启动匀胶机进行匀胶，首先以400转/分的转速匀胶8s，然后在5000转/分的转速下甩胶50s，得到薄膜；
b)将步骤a)得到的薄膜放入烘箱中，100℃下干燥处理，时间为14min，然后放入快速热处理炉中进行热解，热解温度为380℃，时间为4min，然后在空气气氛下进行快速退火，退火温度为700℃，退火时间为4min；
c)重复a)-b)的步骤，直至得到400nm厚的压电薄膜；
d)将厚度为400nm的压电薄膜放入快速热处理炉中，在空气气氛下进行快速退火，退火温度为700℃，退火时间为8min，得到不同比例的Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜；
(5)在钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层上采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法沉积一层厚度为40nm的上耐击穿子层二氧化硅、氧化铝或氮化硅；
(6)用磁控溅射方法在上耐击穿子层上沉积一层厚度为180nm的金属上电极层Au，得到耐高压高储能薄膜电容器。
实施例5
一种耐高压高储能薄膜电容器，该薄膜电容器以Si为衬底，由顺序叠接在衬底上的200nm厚的金属下电极层、45nm厚的下耐击穿子层、450nm厚的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层、45nm厚的上耐击穿子层以及200nm厚的金属上电极层，其中，所述的钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层的组成通式为(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3，0<x≤0.4。
其制备方法包括以下步骤：
1)制备具有Pt电极的Si衬底：用磁控溅射方法在硅基底上沉积一层厚度为200nm的金属下电极层Pt；
(2)在金属下电极层上采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法沉积一层厚度为45nm的下耐击穿子层二氧化硅、氧化铝或氮化硅，然后将硅衬底干燥，之后用快速热处理炉在600℃下处理55s并随炉冷却；
(3)制备Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3，0<x≤0.4前驱体溶液：
1)以去离子水为溶剂，加入0.16mol异丙醇、0.18mol乙酰丙酮和0.55mol冰醋酸，室温下混合搅拌1.4h，得到混合溶液；
2)将0.25mol钛酸四丁酯、0.15mol硝酸铋、0.045mol乙酸钾、0.25mol乙酸钠和0.03mol乙酸钪依次加入步骤1)所得的混合溶液中，室温下搅拌1.8h，搅拌完毕后过滤，并加入螯合剂甲酰胺，得到Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3前驱体溶液；
(4)然后制备Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜：
a)将Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3前驱体溶液滴加到步骤(2)所得衬底上，启动匀胶机进行匀胶，首先以500转/分的转速匀胶9s，然后在5500转/分的转速下甩胶50s，得到薄膜；
b)将步骤a)得到的薄膜放入烘箱中，110℃下干燥处理，时间为16min，然后放入快速热处理炉中进行热解，热解温度为400℃，时间为4min，然后在空气气氛下进行快速退火，退火温度为750℃，退火时间为5min；
c)重复a)-b)的步骤，直至得到450nm厚的压电薄膜；
d)将厚度为450nm的压电薄膜放入快速热处理炉中，在空气气氛下进行快速退火，退火温度为750℃，退火时间为10min，得到不同比例的Sc掺杂的(Na0.85K0.15)0.5Bi0.5Ti(1-x)ScxO3压电薄膜；
(5)在钪掺杂钛酸铋钠压电薄膜层上采用磁控溅射法或脉冲激光沉积法沉积一层厚度为45nm的上耐击穿子层二氧化硅、氧化铝或氮化硅；
(6)用磁控溅射方法在上耐击穿子层上沉积一层厚度为200nm的金属上电极层Au，得到耐高压高储能薄膜电容器。