CN102623174A - 一种高能量密度电容器的制备方法 - Google Patents

一种高能量密度电容器的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102623174A
CN102623174A CN2012101122007A CN201210112200A CN102623174A CN 102623174 A CN102623174 A CN 102623174A CN 2012101122007 A CN2012101122007 A CN 2012101122007A CN 201210112200 A CN201210112200 A CN 201210112200A CN 102623174 A CN102623174 A CN 102623174A
Authority
CN
China
Prior art keywords
capacitor
film
metal
nano
dielectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2012101122007A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102623174B (zh
Inventor
杨亚杰
蒋亚东
徐建华
杨文耀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201210112200.7A priority Critical patent/CN102623174B/zh
Publication of CN102623174A publication Critical patent/CN102623174A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102623174B publication Critical patent/CN102623174B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

本发明公开了一种高能量密度电容器的制备方法，首先通过真空沉积方法在多孔聚碳酸酯材料内制备金属薄膜，然后在金属膜表面通过原子层沉积的方法制备纳米介电薄膜作为电容器电介质材料，最后在介电薄膜上通过原子层沉积方法获得纳米薄膜作为电极，形成一种金属-绝缘体-金属的纳米电容器结构。该方法所制备的电容器具有纳米超薄结构，使得电容器具有大的能量密度，同时该电容器制备技术克服了现有技术中所存在的缺陷，并且制备方法合理简单，易于操作。

Description

一种高能量密度电容器的制备方法
技术领域
本发明涉及电子材料元件领域，具体涉及基于大长度/直径比的孔状结构的高能量密度纳米电容器的制备方法。 
背景技术
近10年来随纳米技术的发展，各种新型的纳米材料如：碳纳米管、石墨烯等新颖的电子材料被应用于高性能的储能器件中，由于这类纳米材料具有较大的比表面积及高的表面、界面活性，通过超薄化的界面结构及器件结构的微型化极大的提高了储能电容器（尤其是超级电容器）的性能，同时这些纳米材料的使用也为构筑纳米尺度的储能电容器提供了重要的技术支撑。
目前下一代储能系统对微/纳米尺度储能器件的需求越来越迫切，这必然要求发展能为MEMS和纳米电子线路提供能源的纳米电池或纳米电容器，而目前的纳米储能电容器在尺寸和储能密度上远未达到要求。而且目前有关纳米结构材料应用于纳米电容器的研究大多集中于电化学电容器方面，而在传统的静电电容器方面的报道较少。由于纳米结构尤其是纳米多孔结构拥有巨大的比表面积，因此一种有效的方法是在开放的纳米结构内部构筑大面积的超薄器件结构。因此针对静电电容器的微/纳米化，采用高密度薄膜及界面体系的器件结构为主要的探索方向。
近年来用有序阵列化的纳米结构来构筑纳米静电电容器已有报道。Kemell等采用电化学方法获得多孔硅纳米结构，然后在其纳米结构内制备了Si/Al2O3/ZnO:Al的电容器阵列结构，在金属材料的沉积中采用了原子层沉积（ALD）方法，保证了纳米电容器的超薄结构。Roozeboom等通过刻蚀多孔硅的方法获得了一种超深多孔结构，在这种结构内部制备了高性能的MOS电容器阵列结构。在阵列纳米孔模板法中，由于多孔阳极氧化铝（AAO）模板是制备均匀有序纳米电子材料的理想无机模板，便于制作高度集成，低造价的纳米器件。Shelimov等人首先在AAO模板中构筑了金属-绝缘体-金属（MIM）结构的纳米电容器，电容器的容量达到了13μF/cm2。Sohn等人也采用多孔氧化铝模板制备了一种MIM纳米电容器器阵列结构，并采用碳纳米管作为纳米电容器的电极材料。国内刘玲等人通过在AAO模板内组建导电聚合物电极，获得了聚吡咯（PPy）/TiO2/PPy纳米电容器，利用导电聚合物纳米结构的快速氧化还原过程获得了充放电性能良好的纳米电容器，可在纳米微机电系统和纳米电子线路系统的化学电源中有良好的应用前景。
最近，马里兰大学的Banerjee等人ALD沉积技术在多孔氧化铝纳米结构中制备超薄金属-绝缘体-金属纳米电容器及阵列结构。这种高度有序的阵列结构具有较大的比电容器，大大超过了以前所报道的在多孔模板中制备的纳米静电电容器的比容量。所报道的纳米电容器容量最大达到了约100μF/cm2，其功率密度（>1×106 W kg-1）达到了静电电容器的水平，而能量密度（0.7 Wh kg-1）接近电化学超级电容器的水平，这种纳米电容器阵列结构同时具有高的能量密度和功率密度的优点，可以作为一种新颖的具有高释放密度的储能电容器。
但是目前有关纳米电容器及阵列制备还有许多关键性问题有待解决，纳米电容阵列由于尺寸太小还不能储存较多能量，同时多个阵列结构的互联也存在一定问题，如何保证扩大比例同时所有电容器正常工作还有待进一步研究。如何实现纳米电容器各结构稳定组装、稳定工作以及大面积阵列的制造仍然是急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的问题是：如何提供一种高能量密度纳米电容器的制备方法，该方法所制备的基于纳米结构的纳米电容器克服了现有技术中所存在的缺陷，并且制备方法合理简单，易于操作。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：一种高能量密度电容器的制备方法，包括如下步骤：
①将柔性多孔聚碳酸酯基体材料进行表面等离子体处理； 
②采用真空蒸发的方法在经表面等离子体处理的多孔聚碳酸酯基体材料上制备金属纳米薄膜作为电容器的一个电极； 
③采用原子层沉积方法在金属纳米薄膜表面沉积介电纳米薄膜作为电容器介质材料； 
④采用原子层沉积方法继续在介电纳米薄膜表面沉积金属纳米薄膜作为另一个电极，从而在多孔纳米结构中获得一种金属-金属氧化物-金属的电容器结构。
进一步地，步骤②中所述的金属纳米薄膜为Au或Cu金属纳米薄膜。
进一步地，步骤③中所述的介电纳米薄膜为HfO2或Al2O3纳米薄膜。
进一步地，步骤④中所述的金属纳米薄膜为TiN或AlN纳米薄膜。
更具体地，包括以下步骤： 
①将柔性多孔聚碳酸酯基体材料放入真空腔体中，进行表面等离子体处理，聚碳酸酯膜的厚度为20～30μm，材料中孔尺寸：长度10～15μm，直径50～70nm；
②将表面等离子体处理的多孔聚碳酸酯基体材料放入真空蒸发设备腔体中，采用真空蒸发沉积的方法制备Au金属纳米薄膜作为电容器一个电极，薄膜厚度为5～10nm；
③将制备了金属电极的多孔聚碳酸酯基体材料放入原子层沉积设备腔体中，采用原子层沉积的方法沉积Al2O3介电纳米薄膜作为电容器介质材料，薄膜的厚度为5～10nm； 
④在介质薄膜材料表面采用原子层沉积的方法制备TiN金属纳米薄膜作为电容器电极，薄膜厚度为5～10nm；
由①～④步骤获得了一种基于多孔纳米结构的金属-金属氧化物-金属的高能量密度电容器结构。
本发明所提供的高能量密度电容器的制备方法与现有技术相比具有如下优点：
电容器基体材料为含有纳米孔结构的柔性聚碳酸酯材料，所含孔结构具有大长度/直径比的特点，保证电极具有大的表面，同时各个电容器薄膜组成部分均为纳米薄膜结构，保证了电容器的纳米结构。这种基于多孔纳米结构及纳米薄膜结构的电容器可以有效提高静电电容器的能量密度，并具有快速释放的特点，可以满足高储能密度储能系统多方面不同的需要。制备方法合理简单，易于操作。
附图说明
图1是单个电容器结构原理图。
其中附图标记分别为：1、聚碳酸酯基体材料，2、大长度/直径比纳米孔，3、真空沉积的电极纳米薄膜，4、原子层沉积方法沉积的介电纳米薄膜， 5、原子层沉积方法制备的金属纳米薄膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
本发明提供了一种基于柔性聚碳酸酯纳米孔结构的高能量密度电容器的制备方法，首先通过真空沉积的方法在纳米孔内部制备金属纳米薄膜作为电极，然后采用原子层沉积方法在金属电极薄膜上制备纳米介电薄膜作为电容器介质层，最后通过原子层沉积方法在介电薄膜上制备纳米金属薄膜作为另一个电极，从而获得一种金属-绝缘体-金属的纳米电容器结构。纳米电容器的容量可以通过不同孔径及长度的尺寸进行调控。该发明中的关键为采用柔性多孔聚碳酸酯为基体材料，一方面可以实现器件的柔性化，另一方面材料中含有大长度/直径比的纳米孔结构，这种大长度/直径比的孔状结构保证了纳米电容器较大的比表面积。另外，电容器的电极及介电薄膜采用真空沉积和原子沉积方法，保证了薄膜及器件的纳米结构。因此，通过新颖的纳米孔与器件超薄结构相结合，保证了获得的纳米电容器具有高能量密度。电容器的一个电极为Au、Al等金属纳米薄膜，介电层为Al2O3，HfO2等采用原子沉积方法获得的介电纳米薄膜，另一个电极为采用原子沉积方法获得的TiN，AlN等金属纳米薄膜。另外，通过将多个多孔聚碳酸酯基片互联可以获得大容量的高能量密度纳米电容器阵列结构。
本发明的特点是采用柔性多孔聚碳酸酯材料为基体，通过真空沉积方法首先获得纳米厚度的金属电极薄膜，然后通过原子沉积的方法在金属薄膜表面沉积介电氧化物纳米薄膜作为电容器介电材料，最后采用原子沉积的方法在纳米介电氧化物表面沉金属纳米金属薄膜作为电容器电极，纳米电容器具有超薄结构，且电容器的容量及尺寸可以通过聚碳酸酯中纳米孔尺寸及数目进行调控。
依托良好多孔性的聚碳酸酯材料及成熟的真空成膜、原子层级别薄膜沉积方法，本发明可以制备柔性的高能量密度纳米电容器结构，并实现大面积结构阵列。
采用本发明制备的一些纳米电容器结构举例如下：
①   基于Al2O3纳米介电薄膜的孔状纳米电容器结构；
②   基于 HfO2纳米介电薄膜的孔状纳米电容器结构；
以下是本发明的具体实施例：
实施例1
在图1中，将柔性多孔聚碳酸酯基体材料1进行表面等离子体处理，将表面等离子体处理的多孔聚碳酸酯基体材料置入真空沉积设备腔体中，采用真空沉积的方法在聚碳酸酯孔（图1中2）制备Au等金属纳米薄膜（图1中3）作为电容器的一个电极。 
将沉积了Au电极薄膜的多孔聚碳酸酯基体材料置入原子薄膜沉积设备腔体中，采用原子沉积方法在Au薄膜表面沉积Al2O3等介电纳米薄膜（图1中4）。 
采用原子沉积方法继续在介电纳米薄膜表面沉积TiN等金属纳米薄膜作为电极（图1中5），从而在多孔纳米结构中获得一种金属-绝缘体-金属的纳米电容器结构。
制备方法如下：
①将柔性多孔聚碳酸酯基体材料放入真空腔体中，进行表面等离子体处理，聚碳酸酯膜的厚度为20μm，材料中孔尺寸：长度10μm，直径50nm；
②将表面等离子体处理的多孔聚碳酸酯基体材料放入真空腔体中，采用真空沉积的方法制备Au金属纳米薄膜作为电容器一个电极，薄膜厚度为10nm；
③制备了金属电极的多孔聚碳酸酯基体材料放入原子层沉积设备腔体中，采用原子层沉积的方法沉积Al2O3介电纳米薄膜作为电容器介质材料，薄膜的厚度为10nm； 
④在介质薄膜材料表面采用原子层沉积的方法制备TiN金属纳米薄膜作为电容器电极，薄膜厚度为5nm；
由①- ④步骤获得了一种基于多孔纳米结构的Au- Al2O3-TiN的高能量密度纳米电容器结构。
实施例2
如图1，电容器介电纳米薄膜为HfO2。
纳米电容器的制备流程与实施方式一相似。从而获得了一种基于多孔纳米结构的Au-HfO2-TiN的高能量密度纳米电容器结构。
实施例3
如图1，电容器介电纳米薄膜为HfO2。
纳米电容器的两个电极材料分别为Al和TiN，制备流程与实施方式一相似。从而获得了一种基于多孔纳米结构的Al-HfO2-TiN的高能量密度纳米电容器结构。
实施例4
如图1，电容器介电纳米薄膜为Al2O3。
纳米电容器的两个电极材料分别为Al和TaN，制备流程与实施方式一相似。从而获得了一种基于多孔纳米结构的Al- Al2O3-TaN的高能量密度纳米电容器结构。
实施例5
如图1，电容器介电纳米薄膜为HfO2。
纳米电容器的两个电极材料分别为Al和TaN，制备流程与实施方式一相似。从而获得了一种基于多孔纳米结构的Al-HfO2-TaN的高能量密度纳米电容器结构。

Claims (5)

1. 一种高能量密度电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①将柔性多孔聚碳酸酯基体材料进行表面等离子体处理； 
②采用真空蒸发的方法在经表面等离子体处理的多孔聚碳酸酯基体材料上制备金属纳米薄膜作为电容器的一个电极； 
③采用原子层沉积方法在金属纳米薄膜表面沉积介电纳米薄膜作为电容器介质材料； 
④采用原子层沉积方法继续在介电纳米薄膜表面沉积金属纳米薄膜作为另一个电极，从而在多孔纳米结构中获得一种金属-金属氧化物-金属的电容器结构。
2. 根据权利要求1所述的一种高能量密度电容器的制备方法，其特征在于，步骤②中所述的金属纳米薄膜为Au或Cu金属纳米薄膜。
3. 根据权利要求1所述的一种高能量密度电容器的制备方法，其特征在于，步骤③中所述的介电纳米薄膜为HfO2或Al2O3纳米薄膜。
4. 根据权利要求1所述的一种高能量密度电容器的制备方法，其特征在于，步骤④中所述的金属纳米薄膜为TiN或AlN纳米薄膜。
5. 根据权利要求1～4任一项所述的一种高能量密度电容器的制备方法，其特征在于，具体步骤为： 
①将柔性多孔聚碳酸酯基体材料放入真空腔体中，进行表面等离子体处理，聚碳酸酯膜的厚度为20～30μm，材料中孔尺寸：长度10～15μm，直径50～70nm；
②将表面等离子体处理的多孔聚碳酸酯基体材料放入真空蒸发设备腔体中，采用真空蒸发沉积的方法制备Au金属纳米薄膜作为电容器一个电极，薄膜厚度为5～10nm；
③将制备了金属电极的多孔聚碳酸酯基体材料放入原子层沉积设备腔体中，采用原子层沉积的方法沉积Al2O3介电纳米薄膜作为电容器介质材料，薄膜的厚度为5～10nm； 
④在介质薄膜材料表面采用原子层沉积的方法制备TiN金属纳米薄膜作为电容器电极，薄膜厚度为5～10nm；
由①～④步骤获得了一种基于多孔纳米结构的金属-金属氧化物-金属的高能量密度电容器结构。
CN201210112200.7A 2012-04-17 2012-04-17 一种高能量密度电容器的制备方法 Expired - Fee Related CN102623174B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210112200.7A CN102623174B (zh) 2012-04-17 2012-04-17 一种高能量密度电容器的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210112200.7A CN102623174B (zh) 2012-04-17 2012-04-17 一种高能量密度电容器的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102623174A true CN102623174A (zh) 2012-08-01
CN102623174B CN102623174B (zh) 2014-06-25

Family

ID=46563032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210112200.7A Expired - Fee Related CN102623174B (zh) 2012-04-17 2012-04-17 一种高能量密度电容器的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102623174B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014101330A1 (zh) * 2012-12-28 2014-07-03 冯刚 一种静电电能储存装置及其制备方法
CN104995332A (zh) * 2012-11-19 2015-10-21 加利福尼亚大学董事会 基于石墨烯的电极及应用
WO2016141816A1 (zh) * 2015-03-09 2016-09-15 李光武 大容量电容器的制作方法和电容器电池、电池组件
CN106887331A (zh) * 2017-01-17 2017-06-23 同济大学 高储能密度电容器用氧化铝基电介质薄膜及其制备方法
CN114836738A (zh) * 2022-05-07 2022-08-02 中国科学院电工研究所 一种电容器薄膜分级处理装置及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101225515A (zh) * 2007-10-17 2008-07-23 哈尔滨工业大学（威海） 金纳米阵列电极的制备方法
US20090186068A1 (en) * 2008-01-18 2009-07-23 Chameleon Scientific Corporation Atomic plasma deposited coatings for drug release
CN101800253A (zh) * 2010-04-01 2010-08-11 复旦大学 一种用于能量存储的纳米电容器及其制作方法
CN101978446A (zh) * 2008-03-19 2011-02-16 大金工业株式会社 高介电性薄膜形成用的涂层组合物和高介电性薄膜

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101225515A (zh) * 2007-10-17 2008-07-23 哈尔滨工业大学（威海） 金纳米阵列电极的制备方法
US20090186068A1 (en) * 2008-01-18 2009-07-23 Chameleon Scientific Corporation Atomic plasma deposited coatings for drug release
CN101978446A (zh) * 2008-03-19 2011-02-16 大金工业株式会社 高介电性薄膜形成用的涂层组合物和高介电性薄膜
CN101800253A (zh) * 2010-04-01 2010-08-11 复旦大学 一种用于能量存储的纳米电容器及其制作方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104995332A (zh) * 2012-11-19 2015-10-21 加利福尼亚大学董事会 基于石墨烯的电极及应用
CN104995332B (zh) * 2012-11-19 2017-08-08 加利福尼亚大学董事会 基于石墨烯的电极及应用
US10287677B2 (en) 2012-11-19 2019-05-14 The Regents Of The University Of California Methods of fabricating pillared graphene nanostructures
WO2014101330A1 (zh) * 2012-12-28 2014-07-03 冯刚 一种静电电能储存装置及其制备方法
WO2016141816A1 (zh) * 2015-03-09 2016-09-15 李光武 大容量电容器的制作方法和电容器电池、电池组件
CN106887331A (zh) * 2017-01-17 2017-06-23 同济大学 高储能密度电容器用氧化铝基电介质薄膜及其制备方法
CN106887331B (zh) * 2017-01-17 2019-04-02 同济大学 高储能密度电容器用氧化铝基电介质薄膜及其制备方法
CN114836738A (zh) * 2022-05-07 2022-08-02 中国科学院电工研究所 一种电容器薄膜分级处理装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102623174B (zh) 2014-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kiruthika et al. Transparent and flexible supercapacitors with networked electrodes
Zhao et al. Recent advances in designing and fabricating self‐supported nanoelectrodes for supercapacitors
Wang et al. Engineered nanomembranes for smart energy storage devices
Chmiola et al. Monolithic carbide-derived carbon films for micro-supercapacitors
Qin et al. Free-standing porous carbon nanofiber/ultrathin graphite hybrid for flexible solid-state supercapacitors
Wei et al. Carambola-like Ni@ Ni1. 5Co1. 5S2 for use in high-performance supercapacitor devices design
Zheng et al. High packing density unidirectional arrays of vertically aligned graphene with enhanced areal capacitance for high-power micro-supercapacitors
Yu et al. Ultrahigh-rate wire-shaped supercapacitor based on graphene fiber
Senthilkumar et al. Advances and prospects of fiber supercapacitors
Guo et al. Nanoarrays: design, preparation and supercapacitor applications
TWI747892B (zh) 用於高電壓及太陽能應用之裝置及方法
Kang et al. 3-V solid-state flexible supercapacitors with ionic-liquid-based polymer gel electrolyte for AC line filtering
TWI733726B (zh) 蜂窩狀石墨烯薄膜
JP2023087098A (ja) 多孔性の相互接続された波状カーボンベースネットワーク（ｉｃｃｎ）複合材料
Tang et al. Facile synthesis of graphite/PEDOT/MnO2 composites on commercial supercapacitor separator membranes as flexible and high-performance supercapacitor electrodes
Liu et al. Novel and high-performance asymmetric micro-supercapacitors based on graphene quantum dots and polyaniline nanofibers
Feng et al. Recent advances in micro-supercapacitors for AC line-filtering performance: From fundamental models to emerging applications
RU2553981C2 (ru) Устройство накопления заряда, способ его изготовления, способ изготовления электропроводящей структуры для устройства, мобильное электронное устройство, использующее устройство, и микроэлектронное устройство, содержащее устройство
KR101031019B1 (ko) 전이금속산화물 코팅층을 가지는 금속 전극의 제조 방법 및그에 의해 제조된 금속 전극
Li et al. Transparent and self-supporting graphene films with wrinkled-graphene-wall-assembled opening polyhedron building blocks for high performance flexible/transparent supercapacitors
Wu et al. Two-dimensional Ni (OH) 2 nanoplates for flexible on-chip microsupercapacitors
CN102623174B (zh) 一种高能量密度电容器的制备方法
Ma et al. High energy density micro-supercapacitor based on a three-dimensional bicontinuous porous carbon with interconnected hierarchical pores
Shahrokhian et al. High-performance fiber-shaped flexible asymmetric microsupercapacitor based on Ni (OH) 2 nanoparticles-decorated porous dendritic Ni–Cu film/Cu wire and reduced graphene oxide/carbon fiber electrodes
KR101089860B1 (ko) 슈퍼캐패시터 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20140625

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee