In this work, a high energy storage density in transparent capacitors, based on linear dielectric ZrO2 thin films, with thickness scaled up to hundreds of nanometers, is reported. Linear dielectric ZrO2 films with a thickness of several hundred nanometers are grown on Sn-doped In2O3 (ITO) electrode layers grown on transparent glass substrates at room temperature. The fabricated ITO/ZrO2/ITO capacitors show excellent dielectric energy storage performance, including a large dielectric constant, low loss and leakage current, and large breakdown strength. Consequently, these capacitors present high energy density and efficiency, as well as robust device endurance. In particular, ultra-high recoverable energy storage density (Wrec ∼ 75.4 J/cm3) and efficiency (η ∼ 88%) are achieved simultaneously in ZrO2 film-based (470 nm thick) capacitors, rivaling those of other lead-free ferroelectric-like and other linear dielectric film capacitors. Moreover, the capacitors show good transparency in the visible range, indicating the potential energy-storage applications in transparent electronics.

1.
H.
Palneedi
,
M.
Peddigari
,
G.
Hwang
,
D.
Jeong
, and
J.
Ryu
,
Adv. Funct. Mater.
28
,
1803665
(
2018
).
2.
L.
Yang
,
X.
Kong
,
F.
Li
,
H.
Hao
,
Z.
Cheng
,
H.
Liu
,
J.
Li
, and
S.
Zhang
,
Prog. Mater Sci.
102
,
72
(
2019
).
3.
M. D.
Nguyen
,
C. T. Q.
Nguyen
,
H. N.
Vu
, and
G.
Rijnders
,
J. Eur. Ceram. Soc.
38
,
95
(
2018
).
4.
J.
Wang
,
Y.
Su
,
B.
Wang
,
J.
Ouyang
,
Y.
Ren
, and
L.
Chen
,
Nano Energy
72
,
104665
(
2020
).
5.
S.
Cho
,
C.
Yun
,
Y. S.
Kim
,
H.
Wang
,
J.
Jian
,
W.
Zhang
,
J.
Huang
,
X.
Wang
,
H.
Wang
, and
J. L.
MacManus-Driscoll
,
Nano Energy
45
,
398
(
2018
).
6.
C.
Hou
,
W.
Huang
,
W.
Zhao
,
D.
Zhang
,
Y.
Yin
, and
X.
Li
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
20484
(
2017
).
7.
H.
Cheng
,
J.
Ouyang
,
Y.
Zhang
,
D.
Ascienzo
,
Y.
Li
,
Y.
Zhao
, and
Y.
Ren
,
Nat. Commun.
8
,
1999
(
2017
).
8.
A. A.
Instan
,
S. P.
Pavunny
,
M. K.
Bhattarai
, and
R. S.
Katiyar
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
142903
(
2017
).
9.
Y.
Sun
,
L.
Zhang
,
H.
Wang
,
M.
Guo
,
X.
Lou
, and
D.
Wang
,
J. Mater. Chem. C
8
,
1366
(
2020
).
10.
J. P. B.
Silva
,
J. M. B.
Silva
,
K. C.
Sekhar
,
H.
Palneedi
,
M. C.
Istrate
,
R. F.
Negrea
,
C.
Ghica
,
A.
Chahboun
,
M.
Pereira
, and
M. J. M.
Gomes
,
J. Mater. Chem. A
8
,
14171
(
2020
).
11.
S. S.
Cheema
,
D.
Kwon
,
N.
Shanker
,
R.
Dos Reis
,
S. L.
Hsu
,
J.
Xiao
,
H.
Zhang
,
R.
Wagner
,
A.
Datar
,
M. R.
McCarter
,
C. R.
Serrao
,
A. K.
Yadav
,
G.
Karbasian
,
C. H.
Hsu
,
A. J.
Tan
,
L. C.
Wang
,
V.
Thakare
,
X.
Zhang
,
A.
Mehta
,
E.
Karapetrova
,
R. V.
Chopdekar
,
P.
Shafer
,
E.
Arenholz
,
C.
Hu
,
R.
Proksch
,
R.
Ramesh
,
J.
Ciston
, and
S.
Salahuddin
,
Nat.
580
,
478
(
2020
).
12.
T. S.
Böscke
,
J.
Müller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Schröder
, and
U.
Böttger
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
102903
(
2011
).
13.
J.
Müller
,
T. S.
Böscke
,
U.
Schröder
,
S.
Mueller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Böttger
,
L.
Frey
, and
T.
Mikolajick
,
Nano Lett.
12
,
4318
(
2012
).
14.
M. H.
Park
,
H. J.
Kim
,
Y. J.
Kim
,
T.
Moon
,
K. D.
Kim
, and
C. S.
Hwang
,
Adv. Energy Mater.
4
,
1400610
(
2014
).
15.
M.
Pešić
,
M.
Hoffmann
,
C.
Richter
,
T.
Mikolajick
, and
U.
Schroeder
,
Adv. Funct. Mater.
26
,
7486
(
2016
).
16.
F.
Ali
,
X.
Liu
,
D.
Zhou
,
X.
Yang
,
J.
Xu
,
T.
Schenk
,
J.
Müller
,
U.
Schroeder
,
F.
Cao
, and
X.
Dong
,
J. Appl. Phys.
122
,
144105
(
2017
).
17.
K. D.
Kim
,
Y. H.
Lee
,
T.
Gwon
,
Y. J.
Kim
,
H. J.
Kim
,
T.
Moon
,
S. D.
Hyun
,
H. W.
Park
,
M. H.
Park
, and
C. S.
Hwang
,
Nano Energy
39
,
390
(
2017
).
18.
P. D.
Lomenzo
,
C.-C.
Chung
,
C.
Zhou
,
J. L.
Jones
, and
T.
Nishida
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
232904
(
2017
).
19.
L.
Zhang
,
M.
Liu
,
W.
Ren
,
Z.
Zhou
,
G.
Dong
,
Y.
Zhang
,
B.
Peng
,
X.
Hao
,
C.
Wang
,
Z.
Jiang
,
W.
Jing
, and
Z.
Ye
,
RSC Adv.
7
,
8388
(
2017
).
20.
M. G.
Kozodaev
,
A. G.
Chernikova
,
R. R.
Khakimov
,
M. H.
Park
,
A. M.
Markeev
, and
C. S.
Hwang
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
123902
(
2018
).
21.
S. J.
Kim
,
J.
Mohan
,
J. S.
Lee
,
H. S.
Kim
,
J.
Lee
,
C. D.
Young
,
L.
Colombo
,
S. R.
Summerfelt
,
T.
San
, and
J.
Kim
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
5208
(
2019
).
22.
A.
Payne
,
O.
Brewer
,
A.
Leff
,
N. A.
Strnad
,
J. L.
Jones
, and
B.
Hanrahan
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
221104
(
2020
).
23.
D.
Das
,
V.
Gaddam
, and
S.
Jeon
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
331
(
2021
).
24.
H.
Spahr
,
C.
Nowak
,
F.
Hirschberg
,
J.
Reinker
,
W.
Kowalsky
,
D.
Hente
, and
H.
Johannes
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
042907
(
2013
).
25.
S.
Yi
,
H.
Lin
, and
M.
Chen
,
J. Mater. Chem. A
9
,
9081
(
2021
).
26.
A.
Kumar
,
S.
Mondal
, and
K. S. R.
Koteswara Rao
,
Appl. Surf. Sci.
370
,
373
(
2016
).
27.
T.
Olsen
,
U.
Schröder
,
S.
Müller
,
A.
Krause
,
D.
Martin
,
A.
Singh
,
J.
Müller
,
M.
Geidel
, and
T.
Mikolajick
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
082905
(
2012
).
28.
B.
Lin
,
Y.
Lu
,
J.
Shieh
, and
M.
Chen
,
J. Eur. Ceram. Soc.
37
,
1135
(
2017
).
29.
M.
Hoffmann
,
U.
Schroeder
,
T.
Schenk
,
T.
Shimizu
,
H.
Funakubo
,
O.
Sakata
,
D.
Pohl
,
M.
Drescher
,
C.
Adelmann
,
R.
Materlik
,
A.
Kersch
, and
T.
Mikolajick
,
J. Appl. Phys.
118
,
072006
(
2015
).
30.
P. D.
Lomenzo
,
Q.
Takmeel
,
C. M.
Fancher
,
C.
Zhou
,
N. G.
Rudawski
,
S.
Moghaddam
,
J. L.
Jones
, and
T.
Nishida
,
IEEE Electron Device Lett.
36
,
766
(
2015
).
31.
M.
Kim
,
K.
Beom
,
H.
Lee
,
C. J.
Kang
, and
T.
Yoon
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
072106
(
2019
).
32.
D.
Park
,
P.
Yang
,
H. J.
Kim
,
K.
Beom
,
H. H.
Lee
,
C. J.
Kang
, and
T.
Yoon
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
162102
(
2018
).
33.
J. P. B.
Silva
,
K. C.
Sekhar
,
H.
Pan
,
J. L.
MacManus-Driscoll
, and
M.
Pereira
,
ACS Energy Lett.
6
,
2208
(
2021
).
34.
Z.
Liang
,
M.
Liu
,
L.
Shen
,
L.
Lu
,
C.
Ma
,
X.
Lu
,
X.
Lou
, and
C.
Jia
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
5247
(
2019
).
35.
D.
Ko
,
T.
Hsin
,
Y.
Lai
,
S.
Ho
,
Y.
Zheng
,
R.
Huang
,
H.
Pan
,
Y.
Chen
, and
Y.
Chu
,
Nano Energy
87
,
106149
(
2021
).
36.
C.
Yang
,
J.
Qian
,
Y.
Han
,
X.
Sun
,
Z.
Sun
, and
L.
Chen
,
Ceram. Int.
44
,
7245
(
2018
).
37.
Y.
Huang
,
C.
Zhao
,
B.
Wu
, and
J.
Wu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
23885
(
2020
).
38.
Q.
Fan
,
M.
Liu
,
C.
Ma
,
L.
Wang
,
S.
Ren
,
L.
Lu
,
X.
Lou
, and
C.
Jia
,
Nano Energy
51
,
539
(
2018
).
39.
P.
Lv
,
C.
Yang
,
J.
Qian
,
H.
Wu
,
S.
Huang
,
X.
Cheng
, and
Z.
Cheng
,
Adv. Energy Mater.
10
,
1904229
(
2020
).
40.
H.
Zhu
,
M.
Liu
,
Y.
Zhang
,
Z.
Yu
,
J.
Ouyang
, and
W.
Pan
,
Acta Mater.
122
,
252
(
2017
).
41.
P.
Lunkenheimer
,
S.
Krohns
,
S.
Riegg
,
S. G.
Ebbinghaus
,
A.
Reller
, and
A.
Loidl
,
Eur. Phys. J.
180
,
61
(
2009
).
42.
J.
Yu
,
T.
Ishikawa
,
Y.
Arai
,
S.
Yoda
,
M.
Itoh
, and
Y.
Saita
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
252904
(
2005
).
43.
G.
Liu
,
C.
Wang
,
C.-C.
Wang
,
J.
Qiu
,
M.
He
,
J.
Xing
,
K.
Jin
,
H.
Lu
, and
G.
Yang
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
122903
(
2008
).
44.
X.
Chen
,
B.
Huang
,
Y.
Liu
,
W.
Wang
, and
P.
Yu
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
112902
(
2020
).
45.
O.
Auciello
,
J. F.
Scott
, and
R.
Ramesh
,
Phys. Today
51
(
7
),
22
(
1998
).
46.
R.
Ramesh
,
S.
Aggarwal
, and
O.
Auciello
,
Mater. Sci. Eng., R.
32
,
191
(
2001
).
47.
E. K.
Michael
and
S.
Trolier-McKinstry
,
J. Appl. Phys.
118
,
054101
(
2015
).
48.
E. K.
Michael-Sapia
,
H. U.
Li
,
T. N.
Jackson
, and
S.
Trolier-McKinstry
,
J. Appl. Phys.
118
,
234102
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.