一種高能量密度電容器的製備方法
2023-09-17 13:51:10 1
專利名稱：一種高能量密度電容器的製備方法
技術領域：
本發明涉及電子材料元件領域，具體涉及基於大長度/直徑比的孔狀結構的高能量密度納米電容器的 製備方法。
背景技術：
近10年來隨納米技術的發展,各種新型的納米材料如碳納米管、石墨烯等新穎的電子材料被應用於高性能的儲能器件中，由於這類納米材料具有較大的比表面積及高的表面、界面活性，通過超薄化的界面結構及器件結構的微型化極大的提高了儲能電容器(尤其是超級電容器)的性能，同時這些納米材料的使用也為構築納米尺度的儲能電容器提供了重要的技術支撐。目前下一代儲能系統對微/納米尺度儲能器件的需求越來越迫切，這必然要求發展能為MEMS和納米電子線路提供能源的納米電池或納米電容器，而目前的納米儲能電容器在尺寸和儲能密度上遠未達到要求。而且目前有關納米結構材料應用於納米電容器的研究大多集中於電化學電容器方面，而在傳統的靜電電容器方面的報導較少。由於納米結構尤其是納米多孔結構擁有巨大的比表面積，因此一種有效的方法是在開放的納米結構內部構築大面積的超薄器件結構。因此針對靜電電容器的微/納米化，採用高密度薄膜及界面體系的器件結構為主要的探索方向。近年來用有序陣列化的納米結構來構築納米靜電電容器已有報導。Kemell等採用電化學方法獲得多孔矽納米結構，然後在其納米結構內製備了 Si/Al203/Zn0:Al的電容器陣列結構，在金屬材料的沉積中採用了原子層沉積(ALD)方法，保證了納米電容器的超薄結構。Roozeboom等通過刻蝕多孔娃的方法獲得了一種超深多孔結構,在這種結構內部製備了高性能的MOS電容器陣列結構。在陣列納米孔模板法中，由於多孔陽極氧化鋁(AAO)模板是製備均勻有序納米電子材料的理想無機模板，便於製作高度集成，低造價的納米器件。Shelimov等人首先在AAO模板中構築了金屬-絕緣體-金屬(MIM)結構的納米電容器，電容器的容量達到了 13MF/cm2。Sohn等人也採用多孔氧化鋁模板製備了一種MM納米電容器器陣列結構，並採用碳納米管作為納米電容器的電極材料。國內劉玲等人通過在AAO模板內組建導電聚合物電極，獲得了聚吡咯(PPy) /Ti02/PPy納米電容器，利用導電聚合物納米結構的快速氧化還原過程獲得了充放電性能良好的納米電容器，可在納米微機電系統和納米電子線路系統的化學電源中有良好的應用前景。最近，馬裡蘭大學的Banerjee等人ALD沉積技術在多孔氧化鋁納米結構中製備超薄金屬-絕緣體-金屬納米電容器及陣列結構。這種高度有序的陣列結構具有較大的比電容器，大大超過了以前所報導的在多孔模板中製備的納米靜電電容器的比容量。所報導的納米電容器容量最大達到了約lOOMF/cm2，其功率密度(>1X IO6 W kg—1)達到了靜電電容器的水平，而能量密度(0. 7 Wh kg4)接近電化學超級電容器的水平，這種納米電容器陣列結構同時具有高的能量密度和功率密度的優點，可以作為一種新穎的具有高釋放密度的儲能電容器。
但是目前有關納米電容器及陣列製備還有許多關鍵性問題有待解決，納米電容陣列由於尺寸太小還不能儲存較多能量，同時多個陣列結構的互聯也存在一定問題，如何保證擴大比例同時所有電容器正常工作還有待進一步研究。如何實現納米電容器各結構穩定組裝、穩定工作以及大面積陣列的製造仍然是急需解決的問題
發明內容
本發明所要解決的問題是如何提供一種高能量密度納米電容器的製備方法，該方法所製備的基於納米結構的納米電容器克服了現有技術中所存在的缺陷，並且製備方法合理簡單，易於操作。本發明所提出的技術問題是這樣解決的一種高能量密度電容器的製備方法，包括如下步驟
①將柔性多孔聚碳酸酯基體材料進行表面等離子體處理；
②採用真空蒸發的方法在經表面等離子體處理的多孔聚碳酸酯基體材料上製備金屬納米薄膜作為電容器的一個電極；
③採用原子層沉積方法在金屬納米薄膜表面沉積介電納米薄膜作為電容器介質材
料；
④採用原子層沉積方法繼續在介電納米薄膜表面沉積金屬納米薄膜作為另一個電極，從而在多孔納米結構中獲得一種金屬-金屬氧化物-金屬的電容器結構。進一步地,步驟②中所述的金屬納米薄膜為Au或Cu金屬納米薄膜。進一步地,步驟③中所述的介電納米薄膜為HfO2或Al2O3納米薄膜。進一步地,步驟④中所述的金屬納米薄膜為TiN或AlN納米薄膜。更具體地，包括以下步驟
①將柔性多孔聚碳酸酯基體材料放入真空腔體中，進行表面等離子體處理，聚碳酸酯膜的厚度為20 30Mm，材料中孔尺寸長度10 15Mm，直徑50 70nm ；
②將表面等離子體處理的多孔聚碳酸酯基體材料放入真空蒸發設備腔體中，採用真空蒸發沉積的方法製備Au金屬納米薄膜作為電容器一個電極，薄膜厚度為5 IOnm ；
③將製備了金屬電極的多孔聚碳酸酯基體材料放入原子層沉積設備腔體中，採用原子層沉積的方法沉積Al2O3介電納米薄膜作為電容器介質材料，薄膜的厚度為5 IOnm ；
④在介質薄膜材料表面採用原子層沉積的方法製備TiN金屬納米薄膜作為電容器電極，薄膜厚度為5 IOnm ；
由① ④步驟獲得了一種基於多孔納米結構的金屬-金屬氧化物-金屬的高能量密度電容器結構。本發明所提供的高能量密度電容器的製備方法與現有技術相比具有如下優點 電容器基體材料為含有納米孔結構的柔性聚碳酸酯材料，所含孔結構具有大長度/直
徑比的特點，保證電極具有大的表面，同時各個電容器薄膜組成部分均為納米薄膜結構，保證了電容器的納米結構。這種基於多孔納米結構及納米薄膜結構的電容器可以有效提高靜電電容器的能量密度，並具有快速釋放的特點，可以滿足高儲能密度儲能系統多方面不同的需要。製備方法合理簡單，易於操作。
圖I是單個電容器結構原理圖。其中附圖標記分別為1、聚碳酸酯基體材料，2、大長度/直徑比納米孔，3、真空沉積的電極納米薄膜，4、原子層沉積方法沉積的介電納米薄膜，5、原子層沉積方法製備的金屬納米薄膜。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述
本發明提供了一種基於柔性聚碳酸酯納米孔結構的高能量密度電容器的製備方法，首先通過真空沉積的方法在納米孔內部製備金屬納米薄膜作為電極，然後採用原子層沉積方法在金屬電極薄膜上製備納米介電薄膜作為電容器介質層，最後通過原子層沉積方法在介電薄膜上製備納米金屬薄膜作為另一個電極，從而獲得一種金屬-絕緣體-金屬的納米電容器結構。納米電容器的容量可以通過不同孔徑及長度的尺寸進行調控。該發明中的關鍵為採用柔性多孔聚碳酸酯為基體材料，一方面可以實現器件的柔性化，另一方面材料中含有大長度/直徑比的納米孔結構，這種大長度/直徑比的孔狀結構保證了納米電容器較大的比表面積。另外，電容器的電極及介電薄膜採用真空沉積和原子沉積方法，保證了薄膜及器件的納米結構。因此，通過新穎的納米孔與器件超薄結構相結合，保證了獲得的納米電容器具有高能量密度。電容器的一個電極為Au、Al等金屬納米薄膜，介電層為Al2O3, HfO2等採用原子沉積方法獲得的介電納米薄膜，另一個電極為採用原子沉積方法獲得的TiN，AlN等金屬納米薄膜。另外，通過將多個多孔聚碳酸酯基片互聯可以獲得大容量的高能量密度納米電容器陣列結構。本發明的特點是採用柔性多孔聚碳酸酯材料為基體，通過真空沉積方法首先獲得納米厚度的金屬電極薄膜，然後通過原子沉積的方法在金屬薄膜表面沉積介電氧化物納米薄膜作為電容器介電材料，最後採用原子沉積的方法在納米介電氧化物表面沉金屬納米金屬薄膜作為電容器電極，納米電容器具有超薄結構，且電容器的容量及尺寸可以通過聚碳酸酯中納米孔尺寸及數目進行調控。依託良好多孔性的聚碳酸酯材料及成熟的真空成膜、原子層級別薄膜沉積方法，本發明可以製備柔性的高能量密度納米電容器結構，並實現大面積結構陣列。採用本發明製備的一些納米電容器結構舉例如下
①基於Al2O3納米介電薄膜的孔狀納米電容器結構；
②基於HfO2納米介電薄膜的孔狀納米電容器結構；
以下是本發明的具體實施例
實施例1
在圖I中，將柔性多孔聚碳酸酯基體材料I進行表面等離子體處理，將表面等離子體處理的多孔聚碳酸酯基體材料置入真空沉積設備腔體中，採用真空沉積的方法在聚碳酸酯孔(圖I中2)製備Au等金屬納米薄膜(圖I中3)作為電容器的一個電極。將沉積了 Au電極薄膜的多孔聚碳酸酯基體材料置入原子薄膜沉積設備腔體中，採用原子沉積方法在Au薄膜表面沉積Al2O3等介電納米薄膜(圖I中4)。採用原子沉積方法繼續在介電納米薄膜表面沉積TiN等金屬納米薄膜作為電極(圖I中5)，從而在多孔納米結構中獲得一種金屬-絕緣體-金屬的納米電容器結構。製備方法如下
①將柔性多孔聚碳酸酯基體材料放入真空腔體中，進行表面等離子體處理，聚碳酸酯膜的厚度為20Mm，材料中孔尺寸長度10Mm，直徑50nm ；
②將表面等離子體處理的多孔聚碳酸酯基體材料放入真空腔體中，採用真空沉積的方法製備Au金屬納米薄膜作為電容器一個電極，薄膜厚度為IOnm ；
③製備了金屬電極的多孔聚碳酸酯基體材料放入原子層沉積設備腔體中，採用原子層沉積的方法沉積Al2O3介電納米薄膜作為電容器介質材料，薄膜的厚度為IOnm ；
④在介質薄膜材料表面採用原子層沉積的方法製備TiN金屬納米薄膜作為電容器電極，薄膜厚度為5nm ；
由①-④步驟獲得了一種基於多孔納米結構的Au- Al2O3-TiN的高能量密度納米電容器結構。實施例2
如圖1，電容器介電納米薄膜為HfO2。納米電容器的製備流程與實施方式一相似。從而獲得了一種基於多孔納米結構的Au-HfO2-TiN的高能量密度納米電容器結構。實施例3
如圖1，電容器介電納米薄膜為HfO2。納米電容器的兩個電極材料分別為Al和TiN，製備流程與實施方式一相似。從而獲得了一種基於多孔納米結構的Al-HfO2-TiN的高能量密度納米電容器結構。實施例4
如圖1，電容器介電納米薄膜為Al2O3。納米電容器的兩個電極材料分別為Al和TaN，製備流程與實施方式一相似。從而獲得了一種基於多孔納米結構的Al- Al2O3-TaN的高能量密度納米電容器結構。實施例5
如圖1，電容器介電納米薄膜為HfO2。納米電容器的兩個電極材料分別為Al和TaN，製備流程與實施方式一相似。從而獲得了一種基於多孔納米結構的Al-HfO2-TaN的高能量密度納米電容器結構。
權利要求
1.一種高能量密度電容器的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟 ①將柔性多孔聚碳酸酯基體材料進行表面等離子體處理； ②採用真空蒸發的方法在經表面等離子體處理的多孔聚碳酸酯基體材料上製備金屬納米薄膜作為電容器的一個電極； ③採用原子層沉積方法在金屬納米薄膜表面沉積介電納米薄膜作為電容器介質材料； ④採用原子層沉積方法繼續在介電納米薄膜表面沉積金屬納米薄膜作為另一個電極，從而在多孔納米結構中獲得一種金屬-金屬氧化物-金屬的電容器結構。
2.根據權利要求I所述的一種高能量密度電容器的製備方法，其特徵在於，步驟②中所述的金屬納米薄膜為Au或Cu金屬納米薄膜。
3.根據權利要求I所述的一種高能量密度電容器的製備方法，其特徵在於，步驟③中所述的介電納米薄膜為HfO2或Al2O3納米薄膜。
4.根據權利要求I所述的一種高能量密度電容器的製備方法，其特徵在於，步驟④中所述的金屬納米薄膜為TiN或AlN納米薄膜。
5.根據權利要求I 4任一項所述的一種高能量密度電容器的製備方法，其特徵在於，具體步驟為 ①將柔性多孔聚碳酸酯基體材料放入真空腔體中，進行表面等離子體處理，聚碳酸酯膜的厚度為20 30Mm，材料中孔尺寸長度10 15Mm，直徑50 70nm ； ②將表面等離子體處理的多孔聚碳酸酯基體材料放入真空蒸發設備腔體中，採用真空蒸發沉積的方法製備Au金屬納米薄膜作為電容器一個電極，薄膜厚度為5 IOnm ； ③將製備了金屬電極的多孔聚碳酸酯基體材料放入原子層沉積設備腔體中，採用原子層沉積的方法沉積Al2O3介電納米薄膜作為電容器介質材料，薄膜的厚度為5 IOnm ； ④在介質薄膜材料表面採用原子層沉積的方法製備TiN金屬納米薄膜作為電容器電極，薄膜厚度為5 IOnm ； 由① ④步驟獲得了一種基於多孔納米結構的金屬-金屬氧化物-金屬的高能量密度電容器結構。
全文摘要
本發明公開了一種高能量密度電容器的製備方法，首先通過真空沉積方法在多孔聚碳酸酯材料內製備金屬薄膜，然後在金屬膜表面通過原子層沉積的方法製備納米介電薄膜作為電容器電介質材料，最後在介電薄膜上通過原子層沉積方法獲得納米薄膜作為電極，形成一種金屬-絕緣體-金屬的納米電容器結構。該方法所製備的電容器具有納米超薄結構，使得電容器具有大的能量密度，同時該電容器製備技術克服了現有技術中所存在的缺陷，並且製備方法合理簡單，易於操作。
文檔編號H01G4/00GK102623174SQ201210112200
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月17日 優先權日2012年4月17日
發明者徐建華, 楊亞傑, 楊文耀, 蔣亞東 申請人:電子科技大學