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；其主要缺点为击穿场强较低,从而导致其储能密度较低。钛酸钡(BaTiO3)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。随着电子器件向微型化、集成化方向的快速发展,BaTiO3薄膜的应用越来越广泛。为了得到具有较好性能的铁电钙钛矿相,BaTiO3薄膜必须经历一个较高温度(一般大于500℃)的处理过程,而已经成型的MOS芯片能承受的极限处理温度约4500C-500℃,高温处理不利于BaTiO3薄膜与CMOS-Si技术的集成。因此,在中温(500℃)条件下制备具有高击穿场强及高储能密度的BaTiO3薄膜电容器具有重要的科学意义和应用价值。本文采用磁控溅射法,结合应变工程方法、尺寸效应和缺陷化学设计,在硅基片上中温(500℃)原位制备出了耐高压、细长型电滞回线的BaTiO3薄膜(无需高温退火)。通过对薄膜的表面形貌、微观结构及电学性能进行分析表征,系统地研究了薄膜的溅射工艺参数对其结构及性能的影响,探索了薄膜的微观结构与其宏观电学性能之间的关系,证明了在陶瓷薄膜电容器中可以获得高的电容储能密度,揭示了BaTiO3/Si异质结构在高能量高功率元器件领域的巨大应用潜力。通过本论文的研究,在以下几个方面取得了有意义的结果：(1)、在磁控溅射工艺参数的优化方面①在200℃-700℃的基片温度范围内研究BaTiO3薄膜的结构及结晶性。在此范围内随着温度的升高,溅射粒子在基片表面的扩散和形核速度加快,使薄膜的结晶性及结构明显变好。②研究了在纯Ar和Ar/O2气氛中制备的BaTiO3薄膜的电学性能。在纯Ar中溅射得到的钛酸钡薄膜存在大量氧空位,导致薄膜呈非化学计量比生长,漏电流较大；而在Ar/02气氛中溅射制备的BaTiO3薄膜氧空位较少,电学性能良好。③溅射气压及功率的优化：这两者通过影响溅射粒子到达基片的能量从而影响BaTiO3薄膜的性能。在0.3Pa、120W条件下在Pt/Ti底电极上制备的BaTiO3薄膜和在1.2Pa、100W条件下在LaNiO3/Pt/Ti底电极上制备的BaTiO3薄膜都具有较好的电学性能,包括大的介电常数和小的损耗,较大的饱和极化强度以及较小的漏电流。(2)、在钛酸钡薄膜的构效关系方面本论文工作中制备的BaTiO3薄膜结构致密、无明显缺陷。表面平整,表面粗糙度Ra约为2nm,平均晶粒尺寸约为200nm,且晶粒内部存在精细的电畴结构(尺寸约为15nm)。这种微结构的存在极大地提高了BaTiO3薄膜的击穿电压、减小了剩余极化强度、延缓了其极化饱和速度,从而大大提高了薄膜电容器的储能密度。(3)、在钛酸钡薄膜电容器的储能密度及稳定性方面本文制备出的BaTiO3薄膜电容器的理论储能密度最高为81.0J/cm3,是块体材料的16倍,高于目前已报道的其他介电材料；其实际放电能量密度达到47.1J/cm3。居里温度高于300℃,具有很好的温度稳定性和频率稳定性。