CN110431647A - 存储设备和电容储能设备 - Google Patents
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Abstract
公开了电容储能设备(CESD)以及制造和使用CESD的方法。所述CESD包括电极阵列，在电极之间具有空间。介电材料占据在电极之间的空间；位于相邻电极之间的介电材料的区域限定电容元件。所公开的CESD可用作为储能设备和/或内存存储设备。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年12月2日提交的美国临时申请第62/429,651号和于2017年2月13日提交的美国临时申请第62/458,426号的权益，其中的各项的全部内容都通过引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开内容涉及电容储能设备以及用于制造和使用该设备的方法的实施例。
背景技术
使用电容器作为能量存储和/或内存存储设备，需要使用导电电极以电荷的形式存储电能。作为储能的方法，静电电容器在其可以积累和释放能量的速度方面很擅长。通常，在介电材料中传统静电能量存储的充电和放电机制处于皮秒至数百微秒的时域范围内。在计算机内存存储器中由电容元件对电荷储存的利用是针对闪存(ROM，只读存储器)和DRAM(动态随机存取存储器)两者的大部分内存存储的基础。
需要包括多个电容元件以及具有多功能性的电容储能设备，以用作能量存储和/或内存存储设备。
发明内容
公开了电容储能设备(CESD)连同制造和使用CESD的方法的实施例。CESD包括电极平面阵列，在电极之间具有空间，该阵列包括在一个或多个平面中的n组电极，其中，n是大于或等于2的整数。介电材料占据在电极之间的空间以及与电极接触，其中，位于相邻电极之间的介电材料的区域限定电容元件。
在一个实施例中，CESD是堆叠的CESD，以及阵列包括n组间隔开的平行电极，形成平行电极的n个堆叠平行平面，各电极具有平行于电极所在平面的中心轴。在各平面中的平行电极是相对于在各相邻平面中的平行电极旋转0-90°的。在任何或所有前述实施例中，所述CESD可以具有限定四个侧边的四边形配置，其中各电极具有从CESD的一个侧边突出的端部，以及所述CESD还包括导电材料，所述导电材料施加到CESD的两个或更多个侧边，以及与电极的从施加导电材料的侧边突出的端部相接触。在任何或所有前述实施例中，电极可以包括具有弯曲曲线的导线或包括沿导线的长度的周期性突起的导线。
在独立实施例中，阵列包括对准的电极行，各行构成一组电极。在另一独立实施例中，阵列包括交错的电极行，各行构成一组电极。在独立实施例中，阵列包括交错的电极行，各行还包括串行地连接在行中的一组交替电极的行电互连，以及未通过行电互连连接的交错电极组是通过列电互连来成列连接的，所述列电互连从交错电极的中心轴偏移，其中在行电互连与列电互连交叉的各交叉点处，存在垂直空间分离。在另一独立实施例中，所述阵列包括电极的行和列的网格图案，其中各行包括与多个列组中的电极交替的行组中的电极；各行组还包括串行地连接行组中的各电极的行电互连；以及各列组还包括串行地连接列组中的各电极的列电互连，其中，在行电互连与列电互连交叉的各交叉点处，存在垂直空间分离。在任何前述实施例中，CESD还可以包括(i)绝缘层，其设置在行电互连与列电互连之间，使得行电互连在绝缘层上方，以及列电互连在绝缘层下方；以及(ii)通孔，其是由绝缘层针对行组中的各电极来限定的，所述通孔将电极连接到行电互连。
在一些实施例中，CESD包括单位晶格，所述单位晶格包括：(i)多个电极，其至少形成多边形的形状，在多边形的各顶点具有一电极；(ii)多个电互连，其数量等于在单位晶格中电极的数量，各电互连连接到在单位晶格中的单个电极，其中在两个或更多个电互连的各交叉点处，存在垂直空间分离；以及(iii)介电材料，其占据在电极之间的空间，其中位于相邻电极之间的介电材料的区域限定电容元件。单位晶格还可以包括在多边形的中心处的电极。在任何或所有前述实施例中，CESD还可以包括设置在交叉电互连之间的绝缘层以及由绝缘层限定的通孔，用于将在绝缘层上方的电互连连接到在电互连和绝缘层下方的电极。在一些实施例中，CESD包括单位晶格的阵列。在两个或更多个单位晶格中相应位置的共线电极可以是串行地通过电互连来连接的。
在任何或所有上述实施例中，电极可以在相邻电极之间具有在5nm至5mm范围内的中心轴到中心轴的间距。在任何或所有上述实施例中，在其中各电极具有垂直于所述平面的中心轴AC，(i)各电极可以具有沿着中心轴从5nm至12000μm的高度；(ii)在一组电极中的各电极可以沿着中心轴具有实质上相同的高度；(iii)在阵列中的各电极可以沿着中心轴具有实质上相同的高度；或者(iv)(i)、(ii)及(iii)的任何组合。
在独立实施例中，CESD包括两个或更多个电极，其是以共螺旋布置来设置的，在电极之间具有空间，其中所述两个或更多个电极不彼此相交；以及介电材料，其占据在电极之间的空间。在另一独立实施例中，CESD包括第一电极；第二电极，其以螺旋配置缠绕在第一电极周围，其中在第一电极与第二电极之间存在空间；介电材料，其占据在第一电极与第二电极之间的空间以及与第一电极和第二电极相接触；以及可选地，第三电极，所述第三电极具有围绕第一电极和第二电极的管状配置，其中在所述第三管状电极与所述第二电极之间存在空间，所述空间填充有介电材料，其中位于电极之间的介电材料的区域限定电容元件。可以如上文所描述的选择性地构造交替极性的额外层。
在另一独立实施例中，堆叠CESD包括：第一电极；第二电极，其平行于第一电极以及与第一电极间隔开，从而在第一电极与第二电极之间形成空间；以及介电材料和导电材料的交替层的堆叠布置，其是平行于第一电极和第二电极设置的以及占据在第一电极与第二电极之间的空间。所述堆叠布置包括x层的介电材料，其中，(i)x是大于或等于2的整数，(ii)介电材料的第一层与第一电极直接接触，以及(iii)介电材料的第x层与第二电极直接接触；以及y层的导电材料，其中y＝x-1，以及导电材料的层是位于介电材料中的各对相邻层之间的。在独立实施例中，堆叠CESD是管状堆叠CESD，其中(i)所述第一电极具有圆柱形配置、面向内的表面、面向外的表面以及外径；(ii)所述第二电极具有圆柱形配置、面向内的表面、面向外的表面以及大于第一电极外径的内径；以及(iii)所述堆叠布置是在介电材料和导电材料的同心交替层中的第一电极的面向外的表面与第二电极的面向内的表面之间设置的。
用于制造CESD的方法，包括形成至少部分地嵌入介电材料内或与介电材料相接触的电极阵列，在电极之间具有空间，所述电极阵列包括布置在一个或多个平面中的n组电极，其中n是大于或等于2的整数。在一个实施例中，形成电极阵列，以及介电材料是设置在电极之间的空间中的。在独立实施例中，形成介电材料的层，电极至少部分地嵌入介电材料中，或者将电极放置为与介电材料相接触，以形成电极阵列。在独立实施例中，用于制造CESD的方法包括(a)提供第一电极；(b)通过以下步骤形成介电材料和导电材料的交替层的堆叠布置：(i)将介电材料的层施加到第一电极的表面，(ii)将导电材料的层施加到介电材料的层上，以及(iii)将介电材料的后续层施加到导电材料的层上，以及(c)施加与堆叠布置的最外层相接触的第二电极；该方法还可以包括继续地重复步骤(ii)和(iii)，以提供介电材料和导电材料的额外交替层，所述额外交替层以介电材料的层终止，使得堆叠布置包括x层的介电材料与y层的导电材料交替，其中x是大于或等于2的整数，以及y＝x-1。
所公开的CESD的实施例可用作为储能设备和/或内存存储设备。在一些实施例中，使用CESD的方法包括提供如本文所公开的CESD，以及跨越设置在两个相邻电极之间的电容元件来施加电压，其中所述电容元件是位于相邻电极之间的介电材料的区域，从而将所述电容元件充电到电压V1。在一些实施例中，该方法还包括通过以下步骤从CESD向负载供应能量：提供包括CESD和连接到CESD的负载的电路，其中，将所述电容元件充电到电压V1；以及跨越电容元件来施加反向极化电势达一放电时间段，其中所述反向极化电势小于电压V1以及小于由电容元件在高阻抗状态下将会生成的电压，从而从电容元件向负载供电。
在一些实施例中，CESD是存储设备，以及电容元件具有通过跨越电容元件来施加的电压来确定的逻辑状态。在一个实施例中，使用包括CESD的存储设备包括通过跨越设置在第一组电极中的电极与第二组电极中的相邻电极之间的电容元件施加电压，来写入存储设备，其中所述电容元件是位于第一组中的电极与第二组中的相邻电极之间的介电材料的区域，从而将所述电容元件充电到电压V1。该方法还可以包括通过将连接到第一组电极的第一电互连和连接到第二组电极的第二电互连中的一者连接到高阻抗传感器，将第一电互连和第二电互连中的另一者连接到VSS，以及利用高阻抗传感器读取电容元件的电压V1，来读取存储设备。包括CESD的存储设备可以通过以下步骤来刷新：(i)将在CESD中的电容元件充电到电压V1，其中，电压V1至少部分地由于随时间的泄漏而放电；(ii)随后确定电容元件的电容C；(iii)基于电容C来确定电压V1；以及(iv)将电容元件再充电到电压V1。
在任何或所有上述实施例中，介电材料可以是具有大于或等于0.5cP的粘度的流体。在任何或所有上述实施例中，介电材料可以是具有大于3.9的相对介电常数的电熵介电材料。在任何或所有上述实施例中，导电材料可以是碳质材料、金属、导电聚合物或其组合。
从下文参考附图进行的详细描述中，本发明的前述和其它目的、特征和优点将变得更加显而易见。
附图说明
在以下附图中，除非另有说明，否则在元件之间(例如，在电极与介电材料之间)的任何明显间隙仅为了清楚起见而示出，以及不存在于实际设备中。
图1是多层电容器的横截面侧视图。
图2A是示例性电容储能设备(CESD)的横截面侧视图。
图2B是根据图2A布置在堆叠中的两个CESD的横截面侧视图。
图3是包括布置在对准的网格图案中的电极阵列的CESD的俯视图，各对角线行构成一组电极。
图4是包括布置在对准的网格图案中的电极阵列的CESD的俯视图，各行构成一组电极。
图5是包括布置的交错行的电极阵列的CESD的俯视图，各行构成一组电极。
图6是包括布置在偏移对角线行的电极阵列的CESD的俯视图，各行构成一组电极。
图7是包括布置在对准的网格图案中的电极阵列的CESD的俯视图，各行包括构成与多个列组中的电极交替的行组中的电极，以及各列包括构成与多个行组中的电极交替的列组中的电极；各内部电极被四个电容元件包围。
图8是沿线8-8获得的图7的CESD的横截面侧视图。
图9是包括布置在对准的网格图案中的电极阵列的CESD的横截面侧视图，各行包括构成与多个列组中的电极交替的行组中的电极，以及各列包括构成与多个行组中的电极交替的列组中的电极；行组和列组是通过相对于衬底或电极的下表面而言位于不同高度的电互连来连接的。
图10示出了图7的CESD的单个边缘行组和单个内部列组的激活，从而访问单个电容元件。
图11示出了图7的CESD的单个内部行组和单个内部列组的激活，从而访问在行电极的相对侧上的两个电容元件。
图12示出了图7的CESD的单个内部行组和单个内部列组的激活，从而访问在列电极的相对侧上的两个电容元件。
图13是包括布置在交错行的电极阵列的CESD的俯视图，各行包括构成与多个列组中的电极交替的行组中的电极；各内部电极被四个电容元件包围。
图14示出了图13的CESD的单个内部行组和单个内部列组的激活，从而访问四个电容元件。
图15是包括布置在交错行中的六边形电极阵列的CESD的俯视图，各行构成一组电极。
图16是包括布置在多边形单位晶格配置中的多个电极的CESD的俯视图。
图17是包括图16的多个多边形单位晶格的CESD的俯视图。
图18是包括在共螺旋布置中的两个或更多个电极的CESD的俯视图。
图19是包括CESD、开关阵列和控制器的设备的简化示意图。
图20是示例性管状CESD的透视图，该管状CESD具有第一电极和以螺旋配置在第一电极周围的第二电极。
图21是示例性管状CESD的透视图，该管状CESD具有第一电极、以螺旋配置在第一电极周围的第二电极以及围绕第一电极和第二电极的管状第三电极。
图22A和图22B是示例性堆叠CESD的横截面侧视图(22A)和透视图(22B)。
图23是还包括在CESD的侧边上的密封材料的示例性堆叠CESD的横截面侧视图。
图24A-24C分别是包括多层平行电极的示例性堆叠CESD的透视图、仰视图和横截面侧视图，其中在给定层中的电极具有共同的极性，在相邻层中的电极具有相反的极性，以及在各层中的电极是相对于在相邻层中的电极成直角定向的。
图25是包括多层平行电极的示例性堆叠CESD的透视图，其中在给定层中的电极具有共同的极性，在相邻层中的电极具有相反的极性，以及在各层中的平行电极是旋转的，使得它们相对于在相邻层中的平行电极不定向为直角。
图26A-26D分别是包括多层平行电极的示例性堆叠CESD的透视图、仰视图和两个横截面侧视图，其中在给定层中的电极具有交替的极性，以及在各层中的电极相对于在相邻层中的电极成直角定向。在图26C中，存在电极的平面/平面偏移；在图26D中，电极是垂直对准的。
图27A和27B示出了绞合线电极的两种平行布置，其中相邻电极具有相同的极性(27A)或相反的极性(27B)。
图28A和28B示出了绞合线电极的两种反平行布置，其中相邻电极具有相同的极性(28A)或相反的极性(28B)。
图29A和29B示出了线电极的两种平行布置，各电极包括沿着电极的长度的周期性突起，其中相邻电极具有相同的极性(29A)或相反的极性(29B)。
图30A和30B示出了线电极的两个反平行布置，各电极包括沿着电极的长度的周期性突起，其中相邻电极具有相同的极性(30A)或相反的极性(30B)。
图31是具有圆柱形配置的示例性管状堆叠CESD的截面图。
图32是图31的管状堆叠CESD的截面图，其中，管状堆叠CESD还包括可选的外部非导电涂层。
图33是示出在CESD中的电容元件的可能串行的和并行的连接的示意图。
图34示出了串行的或并行的两个电容元件的几种示例性组合。
图35是如在本文中公开的制造CESD的普遍方法的流程图。
图36是制造包括交叉电互连的CESD的普遍方法的流程图。
图37是如图22A和图22B所示的制造堆叠CESD的普遍方法的流程图。
图38是如图24-图26所示的用于制造堆叠CESD的普遍方法的流程图。
图39是如图24-图26所示的用于制造堆叠CESD的另一种普遍方法的流程图。
图40是如本文公开的对CESD充电的普遍方法的流程图。
图41是如本文公开的从CESD向负载供应能量的普遍方法的流程图。
图42是如本文公开的对堆叠CESD充电的普遍方法的流程图。
图43是如本文公开的从堆叠CESD向负载供应能量的普遍方法的流程图。
图44是示出写入包括如本文公开的CESD的存储设备以及读取存储设备的一种方法的流程图。
图45是示出确定在包括CESD的存储设备中的电容元件的电容以及刷新CESD的一种方法的流程图。
图46是示出在ROM模式下读取在存储设备中的电容元件的一种方法的流程图，该存储设备包括CESD。
具体实施方式
公开了电容储能设备(CESD)以及制造和使用这样的设备的方法的实施例。所公开的设备的实施例包括多个电极和多个电容元件。CESD可用作储能设备和/或ROM和/或RAM存储设备，用于以数字格式保留信息。与先前已知的和制造的设备相比，本文公开的CESD具有储存电荷以及将储存的电能放电的增强的能力，以提供更大的能量密度(每单位体积的能量)和比能(每单位质量的能量)。
I.定义
提供对术语和缩写的以下解释，以更好地描述本公开内容，以及指导本领域普通技术人员实践本公开内容。如在本文中使用的，“包括”意指“包含”，以及除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一(a)”或“一个(an)”或“该(the)”包括复数引用。除非上下文中另有明确指示，否则术语“或”指的是所述替代元件的单个元素或两个或更多个元素的组合。
除非另有解释，否则在本文中使用的所有技术和科学术语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。虽然类似于或等同于在本文中所描述的那些的方法和材料可以在本公开内容的实践或测试中使用，但是在下文中描述了合适的方法和材料。材料、方法和示例仅是说明性的，以及不旨在进行限制。从以下详细描述和权利要求中，本公开内容的其它特征是显而易见的。
除非另有说明，否则在说明书或权利要求书中使用的表示组件数量、电压、温度、时间等的所有数字要理解为通过术语“大约”来修改。因此，除非另外暗示或明确指示，否则所阐述的数值参数是近似值，其可能取决于在对于本领域普通技术人员而言已知的标准测试条件/方法之下所寻求的期望特性和/或检测限制。当直接地和明确地将实施例与所讨论的现有技术区分开来时，除非记载了词语“大约”，否则实施例数字不是近似的。
为了便于检查本公开内容的各种实施例，提供了对特定术语的以下解释：
阵列：例如，行、列或规则重复的模式的有序布置。
电容：主体储存电荷的能力。电容被定义为其中，Q是电荷(库仑)和V是电势(伏特)。电容通常以法拉表示，其中1F＝1C/V。
电容元件：如在本文中使用的，术语“电容元件”指的是位于未串行地连接的两个相邻电极之间的介电材料的区域。
CESD：电容储能设备。
共面：术语“共面”是描述两个或更多个对象的形容词，各对象具有位于共同的几何平面上的至少一个表面。因此，设置在单个平面衬底或载体上的电极是共面的。类似地，设置在共同的绝缘层上、设置在高度实质上相同的多个共面电极上和/或在空间中占据相同几何平面的电互连是共面的。
共螺旋：如在本文中使用的，术语“共螺旋”指的是两个或更多个混合的螺旋。当提到两个或更多个电极的共螺旋时，电极是电独立的(即，单独的电极彼此不相交)。电极的共螺旋布置可以是例如通过以下步骤来形成的：并排放置两个导线电极或线型电极，在两个电极之间具有空间，然后将两个电极一起布置成螺旋形状，使得螺旋的环在第一电极与第二电极之间交替，以及使得电极不相互交叉，例如，如图18所示。当电极在平面表面上布置成共螺旋时，共螺旋是平面的。术语“共螺旋”包括具有基本圆形椭圆形、多边形或不规则螺旋形状的螺旋。
介电材料：可以被施加的电场极化的电绝缘体。
电互连：用于串行地连接多个电极的导电线路。
电绝缘材料或绝缘体：绝缘体是内部电荷不自由流动的材料，以及因此该材料传导很少的电流或不传导电流。认识到不存在完美的绝缘体，如在本文中使用的，术语“电绝缘材料”指的是主要绝缘的材料，即，具有门限击穿场的材料，该门限击穿场超过在作为电容器的正常使用期间跨材料施加的电场，因此避免了在正常使用期间的电击穿。
电极：如在本文中使用的，术语“电极”指的是电导体(例如，金属)或“复合”电极，其包括电导体和在电导体的表面上的非导电材料。示例性电极包括金属、电绝缘金属、碳化聚合物、导电碳和导电聚合物。
熵材料：经由材料的熵变化来储存能量的材料。在一些示例中，熵变化是由电设备驱动的，以及该材料被称为电熵TM材料。在其它示例中，熵变化是由磁场驱动的，以及该材料被称为磁熵TM材料。熵变化包括原子、分子、二级和/或三级结构变化，诸如聚合物的分子内运动和/或在材料内带电的或极性分子种类的分子间运动。所公开的熵材料的实施例包括多个聚合物分子，特别是包括一个或多个极性官能团和/或可电离官能团的聚合物分子。
石墨烯：元素碳的极其导电的形式，其由布置在重复六边形晶格中的单个平片碳原子组成。
(http://www.merriam-webster.com/dictionary/graphene)。
石墨碳：石墨碳包括石墨的同素异形体形式的碳，与结构缺陷的存在和石墨结构的百分比无关。石墨碳至少有一些域，所述域展示出三维六方晶体长程有序，如通过衍射方法所检测到的(IUPAC Compendium of Chemical Terminology，第二版)("Gold Book")，由A.D.McNaught和A.Wilkinson编辑，布莱克威尔科学出版社，牛津(1997年)。XML在线修正版：由M.Nic等人创建的http://goldbook.iupac.org(2006-)；由A.Jenkins编辑的更新。ISBN 0-9678550-9-8.doi:10.1351/goldbook，2014年2月24日更新，版本2.3.3)。
石墨化碳：如IUPAC定义的，石墨化碳是从非石墨化碳通过石墨化热处理(即，在2500-3300K的范围内的温度处的热处理)制备的具有或多或少完美的三维六方晶序的石墨碳(同上)。如在本文中使用的，术语部分地石墨化的碳指的是石墨型结构含量按重量在20％至99％的范围内的石墨碳，诸如按重量从50％至99％或按重量从80％至95％。
绝缘或非导电层/涂层：如在本文中使用的，术语“绝缘层”、“绝缘涂层”、“非导电层”和“非导电涂层”指的是从欧姆电导率的角度来看电绝缘的材料的层或涂层，即，材料具有小于1×10-1S/m(西门子每米)的欧姆电导率。
聚对二甲苯：聚合的对二甲苯，也称为PuraleneTM聚合物(卡弗科学公司)或聚合的替代的对二甲苯。聚(对二甲苯)满足以下公式：
介电常数：如在本文中使用的，术语“介电常数(permittivity)”指的是材料变成极化的能力，从而将其空间体积的“介电常数(dielectricconstant)”改变为高于真空的值的值。材料的相对介电常数是其静态介电常数除以真空的介电常数的测量，如等式2所示。
等式2
其中：er＝相对介电常数，es＝测得的介电常数，以及eo＝真空的介电常数(8.8542×10-12F/m)。真空具有为1的相对介电常数，而水具有为80.1的相对介电常数(在20℃时)，以及有机涂层典型地具有为3-8的相对介电常数。一般来说，术语“高介电常数”指的是具有至少为3.3的相对介电常数的材料。如在本文中使用的，术语“高介电常数”还指的是使用介电常数增强技术(诸如在电场中的浸入)将介电常数增强至少10％的材料。
扰动电荷：施加到电熵能量设备上的电荷，该电荷具有有效地引起在设备电压中的变化而不改变设备的电容的量级。
极性：术语“极性”指的是化合物或在化合物内的官能团，在其中电子不是在原子之间平等地共享的，即，正电荷和负电荷的区域是至少部分地永久地分开的。
聚合物/聚合物分子：经由化学反应(即，聚合)形成的重复结构单元(例如，单体)的分子。生物聚合物是存在于生物体内的聚合物，例如，蛋白质、纤维素或DNA。
RAM：随机存取存储器。
ROM：只读存储器。
弯曲：具有周期性曲线、蜿蜒的。
单位晶格：如在本文中使用的，术语“单位晶格”指的是形成CESD的最小数量的电极。介电材料占据在电极之间的空间。
通孔：通孔(或垂直互连通路)是穿过层的平面的电连接。如在本文中使用的，通孔指的是延伸穿过绝缘层的电连接，以提供在电极与导线之间的电连接。
VSS：电压源供应。如在本文中使用的，VSS通常指的是包括CESD的电路的更负的电源电压。在某些情况下，VSS接地。然而，VSS用于指示不同于电压源的电压，以及电压可以是在电压上高于或低于电压源的。当一个电极(或在CESD中的一组电极)连接到电压源时，另一电极(或一组电极)连接到VSS，其中VSS具有与电压源不同的电压，从而跨越在CESD中的电容元件来提供电压差。
II.电容储能设备(CESD)
在一些实施例中，电容储能设备(CESD)包括：至少两个电极，在两个电极之间具有空间；以及介电材料，其设置在两个电极之间的空间中以及与两个电极接触。CESD可以包括电极阵列，在电极之间具有空间，电极阵列包括在一个或多个平面中的n组电极，其中，n是大于或等于2的整数。
电极事实上可以具有任何几何横截面配置，包括但不限于圆形圆柱形配置、椭圆形圆柱形配置、多边形圆柱形配置、球形配置、半球形配置，或者电极可以具有平面配置，其中电极在二维上是平面的。在如下文详细讨论的某些实施例中，电极可以包括具有弯曲曲线的导线或者包括沿着导线长度的周期的突起的导线。在一个实施例中，电极具有右圆形圆柱形配置。圆柱形配置可以用于增加在电极之间的有效表面面积。在独立实施例中，电极具有球形或半球形配置。在一些实施例中，电极配置可以影响电介质的介电常数。不希望受限于特定的操作理论，弯曲电场可能能够储存比线性电场要多的能量。电极可以具有规则(例如，平滑)或不规则(例如，粗糙)的表面。在一些实施例中，随机不规则或粗糙的电极表面为充电/放电循环的至少某个部分提供快速充电和放电。不希望受限于特定的操作理论，粗糙表面可以提供更快的充电/放电，这是因为相对于具有规则的光滑的表面的电极而言的增大的表面面积。
电极是由导电材料构成的。合适的导电材料包括但不限于导电碳、除碳之外的导电有机材料、导电金属或半导体。在一些实施例中，电极被阳极氧化(即，具有耐用、耐腐蚀的阳极氧化表面膜)。在其它实施例中，电极涂覆有绝缘涂层，诸如例如，聚(对二甲苯)。
在一些实施例中，在相邻电极之间的中心到中心轴间距在1nm至5mm的范围内，诸如从0.03μm至1mm、从0.5μm至100μm、从0.1μm至50μm、从1μm至500μm或从10μm至2000μm的间距。因此，CESD可以包括从4至4×1012个电极/cm2，诸如从100至1×109个电极/cm2，从1×104至1×109个电极/cm2，或者从2×105至5×106个电极/cm2。电极间距可以部分地取决于预期的电场(E场)、所使用的介电材料和/或在电极上的阳极氧化膜或绝缘涂层的存在。在一些实施例中，基于介电材料的平均厚度，利用在0.0001V/μm至1000V/μm或更大范围内的施加的电场。在某些实施例中，取决于CESD的预期用途，施加的E场在0.001V/μm至1000V/μm、0.001V/μm至100V/μm、100V/μm至1000V/μm或1V/μm至5V/μm的范围内。当电极包括绝缘涂层时，由于绝缘层的阻挡效应，非常低的E场可以与稍微导电的介电材料一起使用。或者，在绝缘电介质中的透射孔可以用于将电场通过绝缘涂层的大部分发送给较高介电常数的电介质。当电极被阳极氧化或涂有绝缘层时，电极的较大的间距或更小的间距是可能的(取决于设备的预期的可用电压)。在这样的实施例中，可以实现高得多的电压。在一些示例中，在电极上没有施加绝缘涂层的情况下，使用了25V或更大范围内的电压。大多数金属在暴露于大气氧时会形成薄的非导电氧化物层。当电极具有施加的绝缘涂层时，可以施加100V或更高的电压，诸如≥150V、≥200V、≥250V、≥400V或者甚至≥650V。
图1是包括在平行配置中的多个电极11、12的传统电容器10的截面图。边缘连接器13、14用于外部电连接。非导电介电材料15在电极11、12之间。在电容器的元件之间的任何明显间隙仅为了清楚起见而示出，以及不存在于实际设备中。以这样的方式制造的典型电容器包括用于电子设备的多层陶瓷电容器(MLCC)。
相反，所公开的电容储能设备的一些实施例包括在平面布置中的电极阵列，在电极之间具有空间，以及介电材料占据在电极之间的空间。CESD可以形成在单个平面表面上。这对于制造是有利的，因为单个平面促进对紧密间隔的电极的几何和机械对准。如果电极没有精确地对准，则它们将会相互接触，依据产生短路，或者引起对所储存的能量的不需要的内部放电。虽然微米或纳米尺度的两个电极平面可以精确地对准或配准，但是难以大规模生产这样的设备。由于在制造期间仅使用单个平面衬底，所以所公开的CESD的一些实施例的几何特性有助于减轻这些对准问题。尽管如此，电极形成在两个或更多个不同的平面上以及然后与在平面之间的电介质对准的其它设置也是可行的，特别是在电极较少和/或在电极之间的间距较大的情况下，也在本公开内容的范围内。在这样的实施例中，边缘连接器还可以在两个或更多个不同的平面上。
图中示出了示例性CESD。应当理解的是，在包括两个以上电极的CESD中，图中所示的电极数量仅是代表性的，以及不表示在CESD中的最小或最大电极数量。在几幅图中，一个或多个“单位晶格”用虚线表示。单位晶格是针对该CESD的最小配置。
图2A是示例性CESD 100的横截面侧视图，该CESD 100包括在基本平面阵列(即，有序布置)中的多个电极110、120，在电极之间具有空间，各电极具有垂直于平面的中心轴AC。边缘连接器130、140用于对电极的外部电连接。介电材料150占据在电极110、120之间的空间以及与电极接触。电极110、120至少部分地嵌入介电材料150内或与介电材料150接触。电极110、120可以完全嵌入介电材料150中。位于相邻电极之间的介电材料的区域限定了电容元件。在CESD元件之间的任何明显间隙仅为了清楚起见而示出，以及不存在于实际设备中。
多个电极可以设置在衬底上，或者可选地设置在可去除载体层160上(CESD可以形成在载体层上，该载体层随后被去除)。CESD 100还包括多个电互连(在图2中未示出)，各电互连串行地连接两个或更多个电极。由单个电互连连接的电极构成一组电极。在一些实施例中，CESD还包括上密封层或额外电介质170。CESD包括至少两组电极，但是可以包括数百甚至数千个单独的电极或电极组。CESD包括与电极组数量相等的多个电互连。因此，CESD还包括至少两个电互连，但是可以包括数百甚至数千个电互连。
如图2B所示，两个或更多个CESD 100可以垂直地堆叠，以形成CESD堆叠。CESD堆叠可能包括数十、数百甚至数千个分层的CESD。所公开的CESD的一些实施例具有从0.005μm至150μm的厚度范围。因此，具有仅为1cm的厚度的CESD堆叠可以包括从2-2,000,000层，诸如从50-1,000,000层、50-100,000层、500-50,000层、1,000-10,000层或1,000-7,000层。在一个实施例中，在堆叠中的各CESD包括衬底160，诸如非导电衬底。在独立实施例中，密封层170设置在堆叠中的各对相邻CESD之间；有利地，密封层是绝缘层，诸如聚(对二甲苯)或额外的介电材料。尽管图2B示出了特定数量的电极，但是应当理解的是，CESD可以具有比所示更多或更少的电极。虚线示出了内部单位晶格101a和边缘或外部单位晶格101b，各单位晶格包括两个电极和在电极之间的介电材料。在CESD的元件之间的任何明显间隙仅为了清楚起见而示出，以及不存在于实际设备中。
电极110、120可以沿着中心轴具有任何期望的高度。在一些实施例中，电极具有从1nm至12000μm的高度，诸如5nm至12000μm的高度，0.01μm至10mm的高度、0.01μm至1mm的高度、0.03μm至1mm的高度、0.03μm至100μm的高度、0.03μm至10μm的高度、0.5μm至10μm的高度或者1μm至10μm的高度。在某些实施例中，在电极组中的各电极具有实质上相同的高度(即，在该组中的各单独电极的高度与在该组中的电极的平均高度相差小于5％)。在任何前述实施例中，在电极阵列中的各电极可以具有实质上相同的高度。占据在电极之间的空间的介电材料可以具有从为电极的平均高度的10％至5000％的平均厚度，诸如平均厚度从平均电极高度的10-1500％、从90-1500％、从10-500％或从90-500％变动。在一些实施例中，平均介电材料厚度基本上与平均电极高度相同(即，变化小于5％)。
如上文所述，电极间距可以部分地取决于预期的电场(E场)、所使用的介电材料和/或在电极上的阳极氧化膜或绝缘涂层的存在。通常，E场将垂直于电极的中心轴。因此，如果电极设置在衬底上，使得中心轴垂直于衬底，则E场将基本平行于衬底。在利用圆形或弯曲表面的其它实施例中，在衬底或电极的表面上的垂直点的视角，E场可能具有基本上弯曲的形状。
示例性衬底是非导电的，或者包括与电极相接触的非导电或绝缘层(例如，聚(对二甲苯)层)。在一些实施例中，衬底由硅以外的材料构成，诸如非导电聚合物。在一些实施例中，衬底160是可去除载体，以及在CESD组装后被去除。在一些示例中，可去除载体包括水溶性聚合物。
电互连是串行地连接两个或更多个电极的导线。电互连可以是由导电材料构成的，诸如导电碳、除碳之外的导电有机材料或导电金属。在一些实施例中，电互连是金属线。对电极的电连接可以是直接的或间接的。可以通过微电子和光刻(lithography)领域的工作人员众所周知的方法来进行直接连接。例如，可以使用标准的引线接合机械或导电粘合剂进行连接。
在CESD中具有许多可能的电极设置，在本文描述了其中的一些。针对各个组件的编号将是坚持贯穿图3-14的。在图3所示的一个示例性实施例中，CESD 300包括布置在对准网格图案中的电极阵列110、120，使得各电极的中心轴AC(*)是与相邻行和列的紧邻电极的中心轴对准的。各对角行(如从顶部看)构成一组电极。如虚线所示，四个电极形成单位晶格，例如，晶格301a、301b、301c。当在对角线行中观察时，可以看到，在任何行中的电极的中心轴与紧邻对角线行中的电极的中心轴交错或偏移。在各组电极中的所有电极是通过电互连115、125来串行地连接的。例如，图3的标记的电互连115串行地连接两个电极110，以及标记的电互连125串行地连接三个电极120。各电互连具有耦合到边缘连接器130、140的终端，所述边缘连接器130、140用于形成针对各组电极的外部电连接。各边缘连接器130、140可以连接到例如开关(未示出)。电互连的另一端连接到在组中离电互连最远的电极。介电材料150占据在电极110、120之间的空间，以及电极至少部分地嵌入介电材料中或与介电材料相接触。不同组的相邻电极(相邻对角线行的电极)之间的介电材料的区域限定电容元件155。在图3的布置中，各内部电极(即，不在阵列的边缘上的电极)被来自其它组的四个电极包围。因此，在各内部电极周围有四个电容元件155。有利地，电极组的对角布置允许边缘连接器130、140以电极110、120的距离(中心到中心)的两倍间隔开。在单行中串行地连接的两个电极之间未形成电容元件。激活一行电极110和相邻的一行电极120将寻址位于两个激活行之间的所有电容元件155。“激活”意指(i)向边缘连接器施加电压，(ii)将边缘连接器连接到VSS(例如，接地)，或者(iii)将边缘连接器连接到负载。例如，当相邻行的边缘连接器140连接到VSS时，电压可以施加到边缘连接器130，其中VSS不同于施加的电压，从而跨越位于相邻行的电极110与120之间的电容元件155来产生电压差。应当注意的是，电容器有两个连接。因为能量存储仅与设备的电荷量和电容相关，以及因此与在两个连接之间的电压差相关。我们将通过假设对电容器而言的一个连接的电压是地电势来简化讨论。因此，我们只需要讨论对电容设备而言的另一连接的电压。然而，对设备的描述和用途不需要仅限于对电气电路精通的技术人员而言通常已知的地电势。
在图4的布置中，CESD 400包括布置在对准网格图案中的电极阵列110、120，使得各电极的中心轴(*)与相邻行的紧邻电极的中心轴对准。各行构成一组电极。如虚线所示，四个电极形成单位晶格401。对准行的布置在各内部电极(例如，电极120a)的相对侧提供了两个电容元件155。单个电容元件155邻近各边缘电极。激活一行电极110和相邻的一行电极120将寻址位于两个激活行之间的所有电容元件155。
图5示出了CESD 500，在其中电极110、120布置在交错行的阵列中，使得在一行中的各电极的中心轴(*)不与在相邻行中的电极的中心轴对准。各行构成一组电极。如虚线所示，四个电极形成单位晶格501。各内部电极(例如，电极120a)与在各相邻行中的两个电极相邻。对准行的布置在各内部电极周围提供了四个电容元件155，在电极的相对侧中的各侧具有两个电容元件。激活一行电极110和相邻的一行电极120将寻址位于两个激活行之间的所有电容元件155。
在图6的实施例中，CESD 600包括布置在偏移对角线行阵列中的电极110、120，各行构成一组电极。如虚线所示，四个电极形成单位晶格601。各内部电极(例如，电极120a)与相邻对角线行中的各相邻对角线行中的两个电极相邻。该布置在各内部电极周围提供了四个电容元件155。激活一行电极110和相邻的一行电极120将寻址位于两个激活行之间的所有电容元件155。
图7示出了CESD 700，其包括布置在对准的行和列的网格图案中的电极阵列110、120。各行包括与多个列组中的电极交替的行组中的电极，即，电极110。各列构成列组中的电极，即，电极120与多个行组中的电极交替。如虚线所示，四个电极形成单位晶格701。各行组中的电极串行地与行电互连115连接。各列组中的电极120串行地与列电互连125连接。该布置在各内部电极周围提供了四个电容元件155。在图7所示的实施例中，电互连125从电极120的中心轴AC偏移，以及具有连接到各电极120的分支配置。因为电互连115、125彼此交叉，所以互连位于三维空间中的不同平面中。电互连被配置为使得在行电互连115与列电互连125交叉的各交叉点处，存在垂直空间分离。在一些实施例中，诸如在图8所示的CESD800，绝缘层190设置在电互连115与125之间，使得电互连115在绝缘层上方，以及电互连125在绝缘层下方。电极110可以通过延伸穿过绝缘层的通孔180连接到电互连115。或者，绝缘层可以在电极110上方被选择性地去除，使得电极可以连接到电互连。单位晶格801是通过虚线表示的。在独立实施例中，电极110具有足以延伸穿过绝缘层(未示出)的高度。在另一独立实施例中，如在图9所示的CESD 900，行电互连115在各电极110的下表面上方的高度h1处接触电极110。分支列电互连125在各电极120的下表面上方的高度h2处接触电极120，其中h1≠h2。在任何前述实施例中，密封层170可以设置在最上面的电互连之上。
有利地，在图7-9中所示的配置允许寻址与单个电极相邻的电容元件。该特性为能源和/或数据存储提供了巨大的多功能性和容量。参考图10的CESD 1000，激活单个边缘电极行110和单个内部电极列120，例如，通过向边缘连接器130a施加电压，同时将边缘连接器140g连接到VSS(例如，接地)。尽管激活连接到边缘连接器130a和140g的所有电极，但是寻址在激活的边缘电极和激活的内部电极之间的仅单个电容元件155。介电材料150的所有其它区域基本不受影响。
图11示出了具有对内部电极行110和内部电极列120的激活的CESD1100，例如，通过向边缘连接器130b施加电压，同时将边缘连接器140f连接到VSS。寻址位于两个激活电极120之间的激活内部电极110的相对侧的两个电容元件155。选择不同的列边缘连接器，例如，边缘连接器140g(如图12的CESD 1200所示)，寻址在两个激活电极110之间的激活的内部电极120的相对侧上的两个电容元件155。因此，可以看出，通过激活一行和一列电极，可以根据需要寻址与任何单个电极相邻的电容元件。
在图13的布置中，CESD 1300包括电极阵列110、120，所述电极阵列110、120设置在交错行的网格图案中，使得在一行中的各电极的中心轴不与在相邻行中的电极的中心轴对准。各行包括与多个列组中的电极交替的行组中的电极，即，电极110。如虚线所示，四个电极形成单位晶格1301。各行组中的电极110串行地与行电互连115连接。在列中的交错电极120串行地与列电互连125连接。在行电互连115与列电互连125交叉的各交叉点处，存在垂直空间分隔。在一些实施例中，绝缘层(例如，如图8所示的绝缘层190)设置在电互连115与125之间，使得电互连115在绝缘层上方，以及电互连125在绝缘层下方。电极110可以通过延伸穿过绝缘层的通孔180连接到电互连115。该布置在各内部电极周围提供了四个电容元件155。
图14示出了在图13的CESD 1300中的内部电极行110和内部电极列120的激活，例如，通过向边缘连接器130b施加电压，同时将边缘连接器140d连接到VSS。电极的交错布置通过激活内部行和内部列来寻址四个电容元件155。
尽管电极110、120在图3-14中被描绘为具有圆形横截面，但是电极实际上可以具有如前所述的任何几何配置。图15示出了CESD 1500，包括具有六边形横截面的交错的电极行110、120的阵列。如虚线所示，两个电极形成单位晶格1501。交错的行和六边形配置提供了与各内部电极相邻的四个电容元件155。
在一些实施例中，CESD包括电极的一个或多个多边形单位晶格，各多边形单位晶格具有五个或更多个边。图16示出了示例性多边形单位晶格1600。图17示出了包括多边形单位晶格1600的阵列的CESD 1700。在一些实施例中，该阵列是多边形单位晶格1600的平面阵列。各多边形单位晶格1600包括至少形成多边形的形状的多个电极，在多边形的各顶点处具有一电极。在图16的示例性多边形单位晶格中，六个电极(编号为2-7的电极)布置在六边形的顶点处。本领域普通技术人员理解的是，其它几何布置也是可能的。例如，五个电极可以布置在五边形的顶点，八个电极可以布置在八边形的顶点，诸如此类。在一些实施例中，额外电极(编号为1的电极)位于多边形的中心或其附近。多边形单位晶格1600包括与在单位晶格中的电极数量相等的多个电互连(例如，互连105、115、116、125、126、135、136)，各电互连连接到在多边形单位晶格中的单个电极。介电材料150占据在电极之间的空间，其中位于相邻电极之间的介电材料的区域限定电容元件155。在两个或更多个电互连的各交叉点处，具有垂直空间分离。例如，参考图16，在电互连115、125的交叉点处，存在垂直空间分开。然而，彼此不相交的电互连可能占据同一平面。因此，电互连115、116可以占据同一平面，而电互连125、126占据与电互连115、116垂直分开的另一平面。类似于图8所示的实施例，多边形单位晶格可以包括绝缘层，该绝缘层将交叉的电互连与穿过绝缘层的通孔分开，以将电极连接到相应的电互连。可选地，密封层(未示出)可以设置在最上面的电互连之上。在图16的示例性单位晶格中，电互连105、115/116、125/126和135/136分别设置在四个平面中，以及绝缘层可以设置在这些平面之间。应当注意的是，尽管电互连105与在图16中编号为1、2和5的电极对准，但是电互连105仅在多边形中心处连接到编号为1的电极，以及与编号为2和5的电极分开(例如，通过绝缘层)。电互连可以利用开关来连接(例如，通过边缘连接器(未示出))到外部逻辑电路，使得可以根据需要选择性地激活电互连，从而寻址在阵列中的一个或多个电容元件。
进一步参考图17，多边形单位晶格1600被布置使得在多个多边形单位晶格的相同位置中的电极形成一条线。例如，多边形单位晶格可以布置在对角行中，使得两个或更多个多边形单位晶格的12点钟位置处的电极(例如，电极110)形成一条线。如列中所示，一个六边形单元的中心与在相邻行中的各相邻行中的多边形单位晶格的边缘对准。共线电极构成一组电极，以及与单个电互连(例如，电互连115)连接。通过激活在电容元件的相对侧的电极，来单独地寻址各电容元件155。在图17的实施例中的各多边形单位晶格包括7个电极和21个电容元件(12个直接在多边形单位晶格中，以及18个与相邻晶格共享)，提供每电极三个电容元件，其中的各电容元件可以是唯一地寻址的。本领域普通技术人员将理解的是，图17仅示出了包括多个多边形单位晶格的CESD的一个示例性实施例，以及本公开内容包括其它多边形单元几何形状和布置。
在图16和图17中举例说明的多边形单位晶格布置为CESD提供了巨大的密度和容量。在电极中心间距为1μm的情况下，每微米有三个电容元件。假设电极高度为1μm，单位晶格布置提供109个电极/mm3或1012个电极/cm3的堆叠密度、3×1012个元件/cm3的电容元件密度和3000Gb/cm3或375Gb/cm3，其中各电容元件为一位(2个逻辑状态)。
有利地，包含电熵介电材料的CESD在操作期间生成很少的热量或没有生成热量，从而允许形成和使用大的CESD堆叠，包括具有数百或数千层的堆叠，各层具有数百或数千个电极和电容元件。在一些实施例中，在使用堆叠CESD期间，特别是当施加的电压不超过20V时，没有检测到热量。在一些实施例中，施加的电压大于0V且≤100V、≤75V、≤50V、≤20V、≤10V或≤5V，诸如从0.025-20V、0.1-10V、0.5-5V或0.7-5V的电压。相比之下，在加热由于漏电流而变得过大之前，传统的堆叠电容器典型地限于不超过七层电介质材料，诸如SiC2。
表1提供了针对几个晶格的示例性尺寸和特性，包括具有为1μm的线性尺寸的“标称”晶格、更大的抗电磁脉冲(EMP)晶格、较大的“能量收集器和存储单元”、具有最大存储密度的晶格和非常大有用的例如能量存储的晶格。为了鲁棒性，假设抗EMP的晶格具有每晶格仅2个逻辑电平。在表1中，术语“晶格”指的是单个电极与相关联的电容元件一起的面积；“层”是电容设备的水平面；层可以在三维中堆叠；“单位晶格”是针对电容阵列的重复单元。在表1的示例性配置中，单位晶格是在中心具有电极的六边形单位晶格(例如，如图16所示)。
表1
1假设电极间距在X和Y维度两者上相等。
2晶格面积计算为6*(1.5*间距)2*sqrt(3)/4/7，其中六边形的面积为6*(l)2*sqrt(3)/4/7，即，单位晶格面积除以电极的数量(7)，其中l为1.5*(电极间距)。
3假设电极高度和电介质厚度相同。
4假设晶格的基层(在其上安装电极的绝缘层或衬底)与在各平面之间的绝缘层厚度相同。介电材料(或者根本没有材料)可以是在层的平面之间唯一的分离材料。因此，绝缘层是完全可选的。例如，如果导电迹线的底部被阳极氧化，则层的间隔可以基本上为零。
5额外的电互连在绝缘层上占据额外的厚度。
6不将与电极直接接触的第一层电互连计算在内。
7偶数个电极层要求((n/2)-1)个额外绝缘层；奇数个电极层要求((n-l)/2-l)个额外的绝缘层。
8由于在电容元件中没有泄漏，所以每晶格的逻辑电平的数量大大增加。四个逻辑电平相当于2比特二进制逻辑电平设备；因此，每单元16个逻辑电平使该单元具有与4比特二进制逻辑单元相同数量的唯一逻辑输出。
9每晶格的电容单元的数量基于电极的配置和互连来变化。对于具有中心电极的六边形单位晶格，每晶格有三个电容元件。
因此，在一些实施例中，根据图17的CESD 1700具有1×106至2.7×1018个晶格/cm3的晶格(电极和周围区域)密度，从而为CESD提供1.5至1×109MB/cm3的存储密度。在一些实施例中，CESD具有从4×108至2.7×1018个晶格/cm3、从4×108至3×1016个晶格/cm3或从4×108至8×1011个晶格/cm3的晶格密度，提供从1至1,000,000GB/cm3、从1至10,000GB/cm3或1至1,000GB/cm3的存储密度。
在另一实施例中，如图18所示，CESD 1800包括以共螺旋布置来设置的两个或更多个电极1810、1820，在电极之间具有空间。有利地，共螺旋布置是平面共螺旋布置，其中电极是设置在平面衬底上的。电极彼此不相交。电极1810、1820的各360°环可以被认为是单位晶格。边缘连接器1830、1840连接到各电极1810、1820。介电材料1850占据在电极1810、1820之间的空间。在一些实施例中，电极1810、1820和介电材料1850设置在衬底(未示出)上，诸如平面非导电衬底。在一些实施例中，电极1810、1820是遍及螺旋布置来彼此等距间隔的。尽管图18的示例性设置示出了基本上圆形的螺旋，但是电极1810、1820可以根据需要设置成任何共螺旋形状，包括但不限于椭圆形、多边形或不规则共螺旋，以占据在设备(例如，集成电路)中的可用空间。在一些实施例中，电极1810、1820具有圆形横截面，以最大化有效表面面积。
包括CESD的设备1900可以包括CESD 1910、开关阵列1920和控制器1930，CESD1910可以是如本文公开的CESD中的任何一个CESD，控制器1930包括用于控制开关阵列1920的逻辑电路，如图19所示。开关阵列1920可操作，以激活在CESD 1900中的电极组，从而寻址在CESD中的一个或多个电容元件，例如，如参考图3-图17所述。
图20示出了管状CESD 2000。如图20所示，管状CESD 2000包括第一电极2010和第二电极2020。可选地，第一电极2010可以在其外表面上具有绝缘涂层。如图所示，第一电极2010具有右圆柱形配置。然而，第一电极2010可以具有其它配置，诸如多边形圆柱体、椭圆形圆柱体等。第二电极2020具有螺旋配置，以及缠绕在第一电极2010周围。第二电极2020与第一电极2010相邻，但不与其直接接触。第一电极2010和第二电极2020在使用期间具有相反的极性。介电材料(为了清楚起见，未示出)填充在电极2010、2020之间的空间。在一些实施例中，通过利用涂覆的导线作为第二电极2020，以及随后在利用介电材料填充空间之前，通过任何合适的手段(例如，激光或化学溶解)去除涂层，来产生在电极2010、2020之间的空间。
图21示出了管状CESD 2100的另一实施例。如图21所示，管状堆叠CESD 2100包括第一电极2010、第二电极2020和第三电极2030。第一电极2010和第二电极2020如上文所述。第三电极2030具有管状结构，以及环绕或包围第一电极2010和第二电极2020，而不与第二电极2020或第一电极2010直接接触。仅仅为了清楚起见，第三电极2030在图21中被示为半透明的，使得可以看到电极2010和2020的布置延伸穿过由第三电极2030限定的内部空间。在实际的CESD 2100中，第三电极2030不是半透明的。第三电极4030具有与第一电极2010相同的极性，以及在使用期间具有与第二电极2020相反的极性。介电材料(为了清楚起见，未示出)填充在电极2010、2020、2030之间的空间。第一电极2010、螺旋第二电极2020和管状第三电极2030均具有中心轴AC，其中中心轴同轴。可选地，管状堆叠CESD还包括施加到第三电极2030的外表面的外部非导电密封材料。外部非导电密封材料可以将管状堆叠CESD电绝缘，当使用流体介电材料时提供对流体流动的阻力，和/或为管状堆叠CESD提供额外的机械强度。合适的非导电密封材料包括但不限于聚合的对二甲苯(例如，PuraleneTM聚合物)、包含对二甲苯和共聚单体的共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、虫胶、聚氨酯或交联聚氨酯。
对于那些精通多导体电缆制造的人来说，清楚可知，图21所示的电极可以相互缠绕。换言之，中心电极可以以螺旋方式形成，以便在不接触的情况下非常接近外部螺旋电极。在卷绕类似于图21的这样的设备的过程中，这样的几何弯曲和卷绕是常见的。以类似的方式，多个导体(两种极性的电极)可以卷绕在一起，以形成单个束(未示出)。
通过包括额外的交替螺旋和管状电极，可以将更多的层添加到CESD2100。例如，另一更大的螺旋电极2020可以缠绕在第三电极2030周围，而不与第三电极2030直接接触，以及另一更大的管状电极2030可以围绕内层。在电极之间的所有空间填充有介电材料。层数仅受限于制造和尺寸约束。第一电极2010和第三电极2030可以使用第一电互连(未示出)并行地连接，以及第二电极2020可以使用第二电互连(未示出)并行地连接。在使用期间，可以使用电互连(未示出)将两个或更多个CESD 2100并行地连接。
在一些实施例中，如图22A和图22B所示，堆叠CESD 2200包括：第一电极2210；第二电极2220，其平行于第一电极以及与第一电极间隔开，从而在第一电极与第二电极之间形成空间；以及介电材料2240和导电材料2250的交替层的堆叠布置2230，该堆叠布置平行于第一电极和第二电极来设置以及占据在第一电极与第二电极之间的空间。连接器2215和2225用于外部电连接。图22A中的堆叠CESD 2200的元件之间的明显间隙仅为了清楚起见而示出，以及不存在于实际设备中。
参考图22A，堆叠布置2230包括x层的介电材料，其中，(i)x是大于或等于2的整数，(ii)介电材料的第一层2240a与第一电极2210直接接触，以及(iii)介电材料2240x的层x与第二电极2220直接接触。堆叠布置还包括y层的导电材料，其中，y＝x-1，以及导电材料层是位于介电材料中的各对相邻层的之间的。在介电材料2240和导电材料2250的相邻层之间也有直接接触。
堆叠布置2230提供了CESD，其中多层介电材料和导电材料是串行地堆叠的。有利地，堆叠CESD 2200不要求介电材料和导电材料的堆叠交替层之间的内部电连接，除了直接接触。图22A示出了在层(诸如2240和2250)之间的微小间隙；为了清楚起见，在图中仅示出了间隙。这些材料彼此直接接触。
堆叠CESD 2200的实施例包括：x层的介电材料2240，其中x是大于或等于2的整数；以及y层的导电材料2250，其中y＝x-1。从理论角度来看，层数基本上是无限制的。然而，层数实际上可能受限于制造约束(例如，难以形成具有可再现厚度的许多层)。在一些实施例中，x是2-5000、2-1000、2-500、2-100、2-50、2-25、2-10或2-5的整数。例如，x可以是2、3、4、5、6、7、8、9或10。在这样的设置中，y分别是1、2、3、4、5、6、7、8或9。在图22A的非限制性示例性堆叠CESD中，x是5，以及y是4。
各导电材料层可以具有在从0.0005μm至10000μm的范围内的厚度TC(如图22A所示)，诸如在从0.005-10000μm、0.005-1000μm、0.005-500μm、0.01-500μm、0.01-100μm、0.02-100μm、0.05-100μm、0.05-50μm、0.05-10μm或0.05-5μm的范围内的厚度。在一些实施例中，各导电材料层的厚度是相同的。“相同”意指各层的厚度相对于层的平均厚度变化小于+5％，诸如相对于层的平均厚度变化小于+2％。
可选地，如图23所示，堆叠CESD 2200还包括与堆叠布置2230的一个或多个侧边相接触以及从第一电极2210延伸至第二电极2220的非导电密封材料2260。非导电密封材料可以将堆叠CESD电绝缘，当使用流体介电材料时提供对流体流动的阻力，和/或为堆叠CESD提供额外的机械强度。合适的非导电密封材料包括但不限于聚合的对二甲苯(例如，PuraleneTM聚合物)、包含对二甲苯和共聚单体的共聚物或聚对苯二甲酸乙二醇酯。此外，不存在在层之间显示的间隙，只是为了清楚地区分层而示出。
如图22A所示，堆叠CESD具有从第一电极的面向外的表面到第二电极的面向外的表面测量的高度H。在一些实施例中，高度H在0.025μm-2000μm的范围内，诸如在0.05-2000μm、0.1-2000μm、1-2000μm、1-1000μm、5-1000μm、10-1000μm、10-500μm、10-200μm或10-100μm的范围内的高度。
在一些实施例中，堆叠CESD包括布置在多个平行平面或层中的间隔开的电极阵列，其中介电材料填充在电极之间的空间。图24A-24C示出了堆叠CESD 2400，其包括布置在n个堆叠的平行平面或层中的n组平行电极，CESD包括第一电极2410和第二电极2420的交替平面或层。图24A是CESD 2400的透视图，以及图24B和24C分别是底视图和侧视图。虚线指示单位晶格2401。各电极2410、2420具有平行于电极所在平面的中心轴AC。在图24的示例性CESD中，电极2410和2420在使用期间具有相反的极性。在给定层中的各电极(例如，在给定层中的所有电极2410)在使用期间具有相同的极性。介电材料2430占据在电极2410、2420之间的空间以及与电极接触。位于极性相反的相邻电极2410、2420之间的介电材料2430的区域限定了电容元件2435。在任何给定层中的电极2410与在其它层中的电极2410垂直对准。在任何给定层中的电极2420与在其它层中的电极2420垂直对准。在一些实施例中，CESD2400具有限定CESD的四个侧边的四边形配置。有利地，各电极的一端(例如，电极端2412、2422)在CESD的一个侧边处从介电材料2430突出，使得可以进行电连接。在某些实施例中，导电材料(未示出)被施加到CESD 2400的两个相邻侧边，例如，侧边A和B，使得突出端2412与在CESD 2400的一个侧边上的导电材料接触以及并行地电连接，以及突出端2422与在CESD 2400的相邻侧边上的导电材料接触以及并行地电连接。在使用期间，在CESD的一个侧边上的导电材料连接到电压源，以及在CESD的相邻侧边上的导电材料连接到VSS。
在独立实施例中，在CESD 2400最下层的电极(例如，在最下层的电极2410)串行地与电互连2440连接；在CESD 2400最上层中的电极(例如，在最上层的电极2420)串行地与电互连2450连接。
在一个实施例中，来自两层或更多层的给定极性的电极串行地连接，例如，垂直对准的电极2420是使用电互连2440串行地连接的。在另一实施例中，在给定层中的电极(即，给定极性的水平对准的电极)是使用电互连2450串行地连接的。
在图24的示例性CESD中，电极2420定向为与电极2410成直角。然而，不要求垂直定向。图25示出了堆叠CESD 2400a，其包括布置在n个堆叠的平行平面或层中的n组平行电极，CESD包括第一电极2410a和第二电极2420a的交替层。各电极2410a、2420a具有平行于电极所在平面的中心轴AC。介电材料2430a占据在电极2410a、2420a之间的空间以及与电极接触。电极2410a和2420a在使用期间具有相反的极性。位于在相反极性的相邻电极之间的介电材料2430a的区域限定电容元件2435a。电极2410a和2420a没有彼此定向为直角定向。相反，电极2420a相对于电极2410a旋转90°。在图25中，从直角旋转30°。然而，旋转度不限于30°。旋转度可以在例如0-90°、0-45°、5-45°、10-45°、15-40°或20-35°的范围内，诸如0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°或45°的旋转度。此外，尽管在图24的示例性CESD 2400a中，电极2410a的各层的定向相同，以及电极2420a的各层的定向相同，但是配置不限于此。实际上，电极的各连续层可以相对于正下方的平面旋转，从而产生电极的扭曲螺旋配置(未示出)。
图26A-26D示出了堆叠CESD 2600，其包括布置在n个堆叠的平行平面或层中的n组平行电极，CESD包括电极2610、2620的平面或层。图26A是CESD 2600的透视图，图26B是仰视图，以及图26C和26D分别是具有偏移电极和垂直对准电极的侧视图。虚线表示单位晶格2601。各电极2610、2620具有平行于电极所在平面的中心轴AC。介电材料2630占据在电极2610、2620之间的空间以及接触电极。电极2610、2620在使用期间具有相反的极性。位于在相反极性的相邻电极之间的介电材料2630的区域限定电容元件2635。在各层中，电极2610与电极2620交替。因此，各层包括交替极性的电极。CESD 2600可以具有限定四个侧边A、B、C、D的四边形配置。有利地，各电极的一端(例如，电极端2612、2622)在一个侧边从介电材料2630突出，使得可以进行电连接。因为电极在各层中在极性中交替，所以电极端2612、2622从CESD 2600的相对侧(例如，侧边A、C)突出。类似地，电极端2614、2624从CESD 2600的两个剩余相对侧(例如，侧边B、D)突出。在一些实施例中，导电材料被施加到CESD 2600的四个侧边中的各侧边，使得各侧边的突出电极端与在该侧边上的导电材料相接触以及并行地电连接。在两个相邻侧边上的导电材料连接到电压源，以及在两个剩余侧边上的导电材料连接到VSS，例如，接地。例如，与电极端2612、2614相接触的导电材料可以连接到电压源，以及与电极端2622、2624相接触的导电材料可以连接到VSS。或者，在CESD一个侧边上的电互连可以用于串行地连接在特定平面中的给定极性的电极，以及在CESD的相对侧边上的电互连可以用于串行地连接在该特定平面中的极性相反的电极。
在如图26A和26C所示的堆叠CESD 2600中，存在平面/平面偏移，使得在具有相同定向的交替层中的电极(例如，在第一层和第三层中的电极或者在第二层和第四层中的电极)彼此不垂直对准。然而，在一些示例中，可以没有偏移，使得在具有相同定向的交替层中的电极彼此垂直对准(图26D)。在图26的示例性实施例中，在各层中的电极与在相邻层中的电极定向为直角定向。然而，如上文相对于CESD 2400a(图25)所述，在任何层中的电极可以相对于在相邻层中的电极从0°旋转至90°。旋转度可以在例如0-45°、5-45°、10-45°、15-40°或20-35°的范围内，诸如0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°或45°的旋转度。此外，电极的各连续层可以相对于正下方的平面旋转，从而产生电极的扭曲螺旋配置(未示出)。
尽管在图24-图26中的电极2410、2410a、2420、2420a、2610和2620被示出为具有右圆柱形配置，但是应当理解的是，电极可替换地可以具有复杂的表面几何形状。例如，电极可以具有半圆形、椭圆形或多边形的横截面积。作为另一示例，电极可以具有规则或光滑的表面或者不规则或粗糙的表面。
在还有其它示例中，电极可以是扭曲或弯曲的导线或迹线。图27A示出了可以在前述实施例中使用的多个平行、扭曲或弯曲的电极2710。通过平行意指在相邻电极中的曲线彼此同相。例如，如果x轴沿着电极2710的长度延伸，以及曲线相对于x轴具有正振幅或负振幅，则沿着x轴在任何给定距离处的任何两个相邻电极的曲线的顶点A(即，最大偏差点)具有与x轴相同的方向。曲线可能在y方向或z方向偏离x轴。在一些实施例中，沿着x轴在任何给定距离处的任何两个相邻电极的曲线具有与x轴相同或实质上相同的振幅和方向，使得在相邻电极之间的距离D沿着x轴的长度相同或实质上相同。电极2710中的各电极具有相同的极性。图27B示出了另一种平行布置，在其中交替电极2710、2720具有相反的极性。
图28A示出了包括多个扭曲或弯曲电极2710的反平行布置，其中各电极2710中的各电极具有相同的极性。通过反平行意指在相邻电极中的曲线彼此异相，诸如180°异相。例如，如果x轴沿着电极2710的长度延伸，以及曲线相对于x轴具有正振幅或负振幅，则沿着x轴在任何给定距离处的任何两个相邻电极的曲线具有与x轴相反的方向。曲线可能在y方向或z方向上偏离x轴。在一些实施例中，在沿着x轴在任何给定距离处的任何两个相邻电极的曲线的顶点具有相同或实质上相同的振幅，但是与x轴方向相反，使得在相邻电极之间的距离沿着x轴的长度从最大距离D1变成最小距离D2。图28B示出了另一种反平行设置，在其中交替电极2710、2720具有相反的极性。在电极彼此更靠近的地方可以产生增大的电场。由于在E场中的增大及其形状，在这些区域中的能量存储更大。
在进一步的示例中，弯曲的线型电极可以是沿着电极表面由包括周期性突起或隆起的导线来形成的。图29A示出了多个平行电极2910，各电极2910包括沿着电极的长度的周期性突起2912。电极2910中的各电极具有相同的极性。图29B示出了另一种平行设置，在其中具有周期性突起2912的交替电极2910和具有周期性突起2922的电极2920具有相反的极性。图30A示出了反平行设置，在其中各电极2910具有相同的极性。图30B示出了另一种反平行设置，在其中交替电极2910、2920具有相反的极性。
本领域普通技术人员理解的是，在图24-图26中举例说明的堆叠CESD还可以包括边缘连接器(未示出，但本质上类似于图23的边缘连接器2215、2225)，用于到电极的外部连接和/或与堆叠布置的一个或多个侧边相接触的非导电密封材料(未示出，但本质上类似于图23的非导电密封材料2260)。堆叠CESD还可以在堆叠CESD的上表面和下表面上包括非导电密封材料(未示出)。非导电密封材料可以将堆叠CESD电绝缘，当使用流体介电材料时提供对流体流动的阻力，和/或向堆叠CESD提供额外的机械强度。合适的非导电密封材料包括但不限于聚合的对二甲苯(例如，PuraleneTM聚合物)、包含对二甲苯和共聚单体的共聚物或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
到图24-图26的堆叠CESD的电连接可以以不同的方式进行。在某些情况下，只对电极的最上层和最下层进行对适当极性的电连接，以及允许内层“浮动”。然而，层数将受到限制，因为跨越设备的总电压将增加到非常高的值。或者，电极的独立的层可以在垂直平面或在多个垂直平面中连接到其相应的极性。边缘连接具有几个优点，包括单独电极将具有较低的对流动电荷的电阻和阻抗连接，以及CESD将相对容易与较大的维度连接。为了促进边缘连接，允许给定极性的电极比相反极性的电极从给定侧突出更多。这样，导电材料可以施加到整个侧面，以在单独的电极与电总线之间形成并行的电连接。可以类似地对待堆叠CESD的其它方面。当堆叠CESD的各层包括具有交替极性的电极时，CESD的两个相对侧将用于进行连接。剩余的两侧将用于对在相邻平面中的电极的电连接，如图24-图26所示，相邻平面具有不同的定向。
图31示出了具有圆柱形配置的示例性管状堆叠CESD 3100的横截面。仅为了清楚起见，示出了在堆叠CESD 3100的元件之间的明显间隙，以及该间隙不存在于实际设备中。在图31的实施例中，第一电极3110具有圆柱形配置、面向内的表面3110a、面向外的表面3110b以及外径D1。第一电极3110可以是空心管，诸如如所示的空心金属管。或者，第一电极3110可以是实心管，诸如金属实心管(未示出)。应当理解的是，当第一电极3110是实心管时，电极没有面向内的表面。第二电极3120具有圆柱形配置、面向内的表面3120a、面向外的表面3120b和内径D2，其中，内径D2大于第一电极3110的外径D1。第一电极3110和第二电极3120被布置使得第一电极3110位于由第二电极3120的面向内的表面3120a限定的空间内。
在介电材料和导电材料的同心交替层中，在第一电极的面向外的表面与第二电极的面向内的表面之间设置包括介电材料和导电材料的交替层的堆叠布置。堆叠布置包括x层的介电材料，其中(i)x是大于或等于2的整数，(ii)介电材料的第一层3140a与第一电极3110的面向外的表面3110b直接接触，以及(iii)介电材料3140x的层x与第二电极3120的面向内的表面3120a直接接触。堆叠布置还包括y层的导电材料，其中，y＝x-1，以及导电材料的层是位于介电材料中的各对相邻层之间的。电介质和导电材料如前所述。
管状堆叠CESD 3100的实施例包括x层的介电材料3140，其中x是大于或等于二的整数；以及y层的导电材料3150，其中y＝x-1。从理论角度来看，层数基本上是无限制的。然而，层数实际上可能受限于到制造约束(例如，难以形成具有可再现厚度的许多层)。在一些实施例中，x是从2-5000、2-1000、2-500、2-100、2-50、2-25、2-10或2-5的整数。例如，x可以是2、3、4、5、6、7、8、9或10。在这样的设置中，y分别是1、2、3、4、5、6、7、8或9。在图31的非限制性示例性堆叠CESD中，x是3，y是2。
可选地，管状堆叠CESD 3100还包括与第二电极3120的面向外的表面3120b相接触的外部非导电密封材料3160，如图32所示。如果需要，外部非导电密封材料可以应用于管状堆叠CESD 3100的所有外表面。外部非导电密封材料可以将管状堆叠CESD电绝缘，当使用流体介电材料时提供对流体流动的阻力，和/或向管状堆叠CESD提供额外的机械强度。合适的非导电密封材料包括但不限于聚合的对二甲苯(例如，PuraleneTM聚合物)、包含对二甲苯和共聚单体的共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、虫胶、聚氨酯或交联聚氨酯。
有利地，如在图22A、22B、31和32所示的所公开的堆叠CESD的实施例的功能类似于多个串行地连接的电容器，从而允许使用比将会适合用于传统电容器的电压要高的电压。参考图22A和图22B，跨越堆叠来划分施加在第一电极2210与第二电极2220之间的电压。当介电材料层具有相同的厚度时，均匀地划分电压。因此，如果跨越堆叠CESD 2200来施加5V的示例性电压，则跨越五个介电材料层2240的各介电材料层将观察到1V下降。堆叠增加了CESD的维数，同时保持了向在堆叠中的各导电层施加高电压的能力，而不必对各单独的层进行电连接。与可以施加到包括单层介电材料的电容器的电压相比，该特征允许将更高的电压施加到堆叠CESD，而不会导致电介质击穿。此外，与已知的电解电容器相比，所公开的堆叠CESD的实施例在充电后展示出非常小的可检测泄漏，以及可以在非常长的时间段内保持电荷。
在任何或所有前述实施例中的电极可以是任何导电材料。示例性材料包括但不限于导电碳、除碳之外的导电有机材料、导电金属或半导体。
通常，如电路领域的普通技术人员所理解的，所公开的CESD中的两个或更多个CESD可以串行地或并行地连接。然而，如图20和图21所示的管状CESD典型地是并行地连接的，以提供两个连接设备。CESD的串行和/或并行连接可以在制造时进行或随后由最终用户进行。
选择性地切换到CESD的电容元件的电连接允许在计算设备中使用电容元件的组合。如图33所示，单个电容元件可以在串行或并行配置中级联，分别提供加/减或平均电压。例如，在堆叠CESD中，可以设置开关来激活在第一层电极中的两个相邻电极，从而跨越在第一层的两个相邻电极之间的一个或多个电容元件来施加电压。可以设置额外的开关来激活在第一层的另一区域或在CESD堆叠中的另一电极层中的另外两个相邻电极，从而跨越在另一区域或层中的一个或多个电容元件来施加电压。开关可以在期望的配置中在外部连接，例如，串行地或并行地，以通过电路和/或计算设备领域的技术人员公知的方法根据需要组合输出。这些电连接用于执行数学运算，以及可以直接用作设备的存储器，以执行逻辑运算和计算以及对储存的数据的压缩。
图34示出了两个电容元件的示例性连接，即，串行相加、串行相加反转、串行相减、串行相减反转和并行平均。本领域普通技术人员理解的是，所示概念可以扩展到多个电容元件的集合，从而将命令扩展到n×m个元素。运算符的串联可以用于提供新的运算符，这些运算符可以是在单个操作周期内配置和使用的。例如，可以使用将电容元件阵列同时划分成其它阵列的能力来执行扩展的数字划分，以在两个周期的操作中提供基本上无限精度的划分。基本运算符包括：ADD(n)-将n个元素相加，得到和(将两个元素加起来还可以是逻辑AND或NAND)；ADDI(n)-将n个元素相加，得到负和；DIV(n，m)-将n个元素除以m个元素；SUB(n，m)-从元素m中减去元素n(减去两个元素可以是逻辑OR或NOR)；SUBI(n，m)-从元素n中减去元素m；AVE(n)-提供n个元素的平均输出；SFL(n)-向左移位n个元素；SFR(n)-向右移位n个元素。表2示出了根据如图34所示的电容元件的几个示例性组合的作为结果的输出电压：
表2
并行连接可以用于对阵列执行多元逻辑运算符。发生的电压平均可以用于降低在输出上的总电压，以保持共同的数字电压电平。在一些实施例中，感测放大器和/或比较器可以用于解码由连接的电容元件产生的电压。有利地，所公开的CESD和CESD堆叠的实施例可以用于制造能够比传统计算机更快地执行逻辑运算和计算的计算机，诸如比传统计算机快多达100倍或200倍。
在一些实施例中，CESD既用作储能设备又用作存储设备。例如，参考图10和图11，可以激活边缘行电极组和包括在边缘行中的电极的所有列组，以对在边缘行的电极之间的所有电容元件充电以及储存能量。可以寻址在CESD中其它地方的单个电极，以读取和写入一个或多个电容元件，用于内存存储。如图19示意性所示，包括逻辑电路的开关阵列310和控制器320可以用于操作CESD。
III.电介质和绝缘材料
所公开的CESD的实施例包括具有与二氧化硅相比要大(即，大于3.9)的相对介电常数的介电材料。在一些实施例中，介电材料具有液体特性，以及具有类似于蜂蜜或更大的粘度。在某些实施例中，介电材料具有大于或等于0.5cP的粘度，诸如从10,000cP至250,000cP的粘度。在独立实施例中，介电材料是固体。
介电材料可以基本上没有导电性；换言之，介电材料在电极处或电极附近不经历氧化/还原，以及不展示出欧姆导电性。在其它实施例中，介电材料是导电的。介电材料可以包括导电或不导电的聚合物、无机金属氧化物、混合金属氧化物、混合聚合物和有机材料或其组合。在一些示例中，聚合物是生物聚合物。
在一些实施例中，介电材料包括具有极性和/或可电离官能团的聚合物分子，导致分子内偶极和偶极矩。聚合物分子还可以包括一个或多个双键。在一些实施例中，聚合物分子是极性聚合物。蛋白质是容易获得的廉价极性聚合物，其具有低毒性。与其它聚合物相比，低毒性是很大的优势，以及允许回收或焚烧CESD。蛋白质分子包括具有极性和/或可电离官能团的氨基酸。其它合适的聚合物包括但不限于取代的(例如，氟化的)和未取代的聚对二甲苯聚合物、聚丙烯、丙烯酸聚合物、甲基丙烯酸聚合物、聚乙二醇、聚氨酯聚合物、环氧聚合物、硅氧烷聚合物、有机萜类聚合物、天然有机聚合物(例如，诸如虫胶的树脂)、多异氰酸酯及其组合。共聚物，诸如丙烯酸酯共聚物(例如，具有乙烯丁基、乙基和甲基丙烯酸酯的共聚物)和聚对二甲苯共聚物(例如，对二甲苯与丙烯酸酯(例如，2-丙烯酸羧乙酯)、甲基丙烯酸酯(例如，3-(三甲氧基甲硅烷基)甲基丙烯酸丙酯)的共聚物、α-蒎烯、R-(-)香芹酮、芳樟醇、环己烯、双戊烯、α-萜品烯、R-(+)-柠檬烯及其组合)也在本公开内容的范围内。极性聚合物的非限制性示例包括玉米醇溶蛋白、大麻蛋白质、小麦面筋、聚(丙烯酸-马来酸共聚物)、聚(丙烯酸)、乳清蛋白分离物、大豆蛋白分离物、豌豆蛋白提取物、虫胶及其组合。
在某些实施例中，聚合物分子被衍生为连接额外官能团，诸如促进聚合物分子随后粘合到裸电极表面(即，裸金属或碳表面)或复合电极表面的官能团。示例性衍生试剂包括但不限于酸酐、碳二亚胺、亚氨酸酯和试剂，所述试剂包括N-羟基琥珀酰亚胺和马来酰亚胺、芳基叠氮化物或二氮杂萘基团的组合。在一些示例中，聚合物是利用酸酐来衍生的，诸如马来酸酐、衣康酸酐、顺式-4-环己烯-1,2-二羧酸酐或顺式-5-降冰片烯-内-2,3-二羧酸酐。衍生的聚合物分子可以通过交联或与表面的其它反应结合到电极表面。聚合物分子还可以与在电介质中的一个或多个其它聚合物分子交联。例如，当聚合物分子是利用马来酸酐衍生时，衍生的聚合物分子可以是通过双键来交联的。可以通过任何合适的方式进行交联，诸如化学试剂(例如，自由基引发剂)、紫外线活化或热活化。非导电、高介电常数电介质的两个非限制性示例是在虫胶基质中的玉米醇溶蛋白和利用马来酸酐衍生的蛋白质。
发明人惊奇地发现，当空间受限时，具有上述特征的聚合物分子可以用于能量存储，即使聚合物分子不能在相对的电极之间自由移动。在对包括电极和包含聚合物分子的介电材料的储能设备进行充电和/或放电之前，可以通过任何方式，包括共价键(单键或多键)、范德华力或氢键，通过将聚合物分子结合到裸电极表面或复合电极的非导电或绝缘涂层，来对聚合物分子进行空间约束。
不希望被任何特定的操作理论所束缚，据信在大分子内，仅分子的一部分可以发生移动，而分子的其它部分被充分地束缚在原位，以防止整体移动到较低的能级，以及随后释放势能，以耦合到电极，而不作为热运动释放。这样的运动限制降低了在介电分子的自由度，以及因此降低了分子将从电场吸收的能量作为热量耗散的能力。因此，结合的聚合物分子以这样的方式耦合到电场，使得聚合物分子由于其自由度降低而不能以热量的形式释放能量。大分子的某些部分的运动可以是相关的，以及类似于那些使用这样的技术来分析生物大分子的人所知道的电泳运动。
此外，不希望受任何特定操作理论的束缚，据信当聚合物的一部分结合到电极(或在电极上的涂层)上时，当极性和/或可电离官能团响应于电场而重新定向时，聚合物的剩余部分可以在介电膜内拉伸、扭曲或弯曲。在构象和位置的这些变化将能量存储在储能设备中。当储能设备放电时，随着结合的聚合物分子返回到不太有序的构象，储存的能量作为电能释放。包含聚合物分子的介电材料被称为“空间受限”介电材料，其中聚合物分子中的至少一些聚合物分子具有降低的自由度。
在一些实施例中，介电材料包括有机聚合物和高介电常数化合物，诸如无机盐或包含金属阳离子和有机阴离子的盐。介电材料还可以包括溶剂。合适的聚合物包括但不限于玉米醇溶蛋白、虫胶和硅油。在一些实施例中，盐包括IIA族或IIIA族金属。在一个实施例中，无机盐是硼化合物，诸如硼氢化钠或硼砂。当无机盐是硼氢化钠或硼砂时，介电材料还可以包括氢氧化铵。在独立实施例中，无机盐是钛酸钡。在另一独立的实施例中，无机盐是Gd、Sr或Sn盐。在又一独立的实施例中，无机盐是过渡金属盐，诸如铁盐。盐可以是例如碳酸盐。当无机盐是钛酸钡或过渡金属盐时，介电材料还可以包括硼氢化钠或硼砂。在某些实施例中，介电材料还包括介电常数增大的材料或击穿电压辅助剂。介电常数增大的材料或击穿电压辅助剂可以包括Y、Ni、Sm、Sc、Tb、Yb、La、Te、Ti、Zr、Ge、Mg、Pb、Hf、Cu、Ta、Nb、Bi或其组合，其是基本上均匀地分布在整个材料中的。
在某些示例中，介电材料包括利用马来酸酐来衍生的以及利用碳酸盐来中和的玉米醇溶蛋白。
在一些实施例中，介电材料具有大于二氧化硅的相对介电常数，即，大于3.9。在某些实施例中，介电材料具有液体特性，以及具有与蜂蜜相似或更大的粘度。介电材料可以具有大于或等于0.5cP的粘度，诸如从0.5cP至250,000cP、10cP至250,000cP、100cP至250,000cP、500cP至250,000cP、1,000cP至250,000cP、5,000cP至250,000cP或10,000cP至250,000cP的粘度。
在一些实施例中，介电材料是具有大于3.9的相对介电常数的电熵介电材料，如本文所公开的。如上文所述，电熵介电材料可以包括多个聚合物分子。在一些示例中，聚合物分子包括蛋白质、聚(对二甲苯)聚(马来酸)、丙烯酸聚合物、甲基丙烯酸聚合物、聚乙二醇、聚氨酯聚合物、环氧聚合物、硅氧烷聚合物、萜类聚合物、天然存在的树脂聚合物、多异氰酸酯或其组合。在某些CESD中，聚合物分子是聚(对二甲苯)、玉米醇溶蛋白、聚(马来酸)、虫胶、硅油或其组合。
各介电材料层可以具有在从0.0001μm至10000μm的范围内的厚度TD(如图29所示)，诸如在0.0005-10000μm、0.0005-1000μm、0.0005-100μm、0.001-100μm、0.01-100μm、0.05-100μm、0.1-50μm、0.5-10μm或1-5μm的范围内的厚度。在一些实施例中，各介电材料层的厚度是相同的。通过“相同”意指各层的厚度相对于层的平均厚度变化小于±5％，诸如相对于层的平均厚度变化小于±2％。
导电材料包括碳质材料、金属、导电聚合物或其组合。碳质材料包括包含导电碳的任何导电材料，包括但不限于碳粉、石墨烯、石墨碳、石墨化碳、部分地石墨化的碳(例如，石墨型结构含量在从20至99wt％的范围内)、活性炭、炭黑和碳化聚合物(典型地通过热解或化学处理至少部分地转化为碳或含碳残余物的聚合物)或其任意组合。合适的金属包括但不限于铝、铜、金、铂、银、钛及其组合。在某些示例中，导电材料包括碳粉、石墨烯、石墨、铝、聚苯胺或聚(N-甲基吡咯)或由其组成。
例如，在US 8,432,663、US 8,940,850、US 9,011,627、US 2015/0000090A1、US2015/0000833 A1和US 2015/0131198 A1中，发现了关于合适的介电材料的额外公开内容，其中的各项的全部内容都通过引用的方式并入本文中。
如上文所述，CESD可以包括在电连接之间的一个或多个绝缘层。电极和/或下面的衬底还可以具有绝缘层或涂层。CESD还可以包括上密封层。绝缘层和/或密封层可以具有小于1×10-1S/m的欧姆电导率。在一些实施例中，绝缘层具有小于1×10-2S/m、小于1×10-5S/m或小于1×10-10S/m的欧姆电导率。在某些实施例中，欧姆电导率从1×10-25S/m至1×10-1S/m、从1×10-10S/m至1×10-1S/m或者从1×10-5S/m至1×10-1S/m。绝缘层可以在厚度上范围从几纳米至大于50微米。在一些实施例中，绝缘层具有从5纳米至10μm的平均厚度，诸如从0.1-10μm、0.3-10μm、0.3-5μm或0.3-2μm。密封层可以具有从50nm至50mm的平均厚度，诸如从50nm至25mm或者从100nm至10mm。
示例性的绝缘或密封层是聚合的对二甲苯，例如，PuraleneTM聚合物涂层，如在例如US 2014/0139974中所公开的，其全部内容都通过引用的方式并入本文中。绝缘层可以是利用合适的共聚单体来改性的，以为介电材料的聚合物分子提供增大的介电常数和/或附着位置。在一些实施例中，共聚单体包括一个或多个不饱和键。包含聚合对二甲苯的绝缘层可以是通过例如包含共聚单体来改性的，共聚单体包括但不限于烯烃、乙烯基衍生物、炔基衍生物、丙烯酸化合物、烯丙基化合物、羰基、环醚、环缩醛、环酰胺、噁唑啉及其组合。在一些实施例中，共聚单体是丙烯酸酯(例如，2-羧乙酯丙烯酸)、甲基丙烯酸酯(例如，3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯甲基丙烯酸)、α-蒎烯、R-(-)香芹酮、芳樟醇、环己烯、双戊烯、α-萜品烯、R-(+)-柠檬烯及其组合。共聚物可以包括交替的单体或者可以是以嵌段共聚物的形式的。
IV.制造CESD的方法
如图35的流程图所示，用于如图2-18中所公开的制造CESD的方法的一些实施例包括形成电极阵列，该电极阵列至少部分地嵌入介电材料中或与介电材料相接触，在电极之间具有空间，该电极阵列包括设置在单个平面中的n组电极，其中n是大于或等于2的整数，各电极具有垂直于该平面的中心轴(步骤3501)；以及将各组中的电极串行地与电互连连接，从而形成CESD(步骤3502)。
在一些实施例中，形成至少部分地嵌入介电材料中或与介电材料相接触的电极阵列还包括形成电极阵列(步骤3501a)，以及然后将介电材料设置在电极之间的空间中(步骤3501b)。电极可以是通过任何合适的方式来形成的，包括但不限于通过纳米光刻、微光刻、荫罩聚合、激光标记、压印、喷墨、凹版印刷(grauver)、柔性版印刷或丝网印刷工艺在衬底上形成电极。在一个实施例中，衬底是非导电表面；在另一实施例中，衬底是可去除的载体。在某些实施例中，电极阵列是使用纳米光刻技术来形成的，诸如卷对卷(R2R)纳米压印光刻技术(NIL)，其中在柔性衬底上层叠的电极材料在压力下在刚性印记上滚动，该印记将电极材料图案化，以形成电极阵列(例如，参见Kooy等人的Nanoscale Research Letters 2014,9:320)。有利地，R2R NIL为设备制造提供了不需要真空处理的解决方案。在另一种方法中，真空工艺(诸如众所周知的微电子制造工艺)可以用来形成电极阵列。替代方法(诸如利用荫罩的简单光刻)也是可能的。非接触工艺(诸如在比真空紫外线要长的波长下光刻)的优点是明显的优点。当这些优点加上不需要真空工艺时，对本发明的经济制造方法提出了令人信服的论点。在一个实施例中，电极是金属，以及通过对于电容器生产领域的技术人员众所周知的方法来阳极氧化。在独立实施例中，电极涂覆有绝缘层或涂层，诸如聚合物(聚对二甲苯)涂层。在US 8,633,289和US2015/0017342A1中进一步描述了形成聚合物(聚对二甲苯)涂层和类似涂层的方法，其中的各项的全部内容都通过引用的方式并入本文中。可以在存在电场或磁场时，形成在电极上涂覆的聚(对二甲苯)绝缘涂层。在一个实施例中，在存在大于100V/cm的直流电场时，形成绝缘涂层。例如，当绝缘涂层被施加到电极上时，衬底/载体和电极可以浸入直流电场中。在另一实施例中，绝缘涂层是在大于1高斯的磁场中形成的，其中可以通过在磁源的磁北极与南极之间放置衬底/载体和电极来提供磁场。还可以通过电镀方法或空间原子层沉积(ALD)来提供电极材料。
介电材料可以通过任何合适的方式设置在电极之间的空间中，包括但不限于，使基于溶剂的电介质(诸如粘性电介质)流到衬底上，将电介质喷涂到衬底上，气相沉积，或在薄膜形成领域中的技术人员已知的其它方法。在一些情况下，电介质被固化，例如，通过去除溶剂，诸如通过蒸发，或者通过在介电材料中的交联聚合物。随后可以通过任何合适的方法去除可去除载体。例如，包含水溶性聚合物的可去除载体可以利用水来溶解和去除。
在替代的方法中，在衬底上形成介电材料层(例如，通过气相沉积、液体喷射、筛选、旋涂、压制或在薄膜形成领域中的技术人员已知的其它方法)(步骤3501c)，以及电极是至少部分地嵌入介电材料中的或与介电材料相接触放置的，以形成电极阵列(步骤3501d)。在一些实施例中，介电材料层被施加到衬底或可去除的载体膜上。如果是液体，则介电膜可以在继续进行之前在低温(例如，25-60℃)下部分地干燥。在另一独立实施例中，一层介电材料压在导电表面上，以充当掩蔽层。介电材料既可以作为衬底，还可以作为绝缘层，以及用于储能的介质。在某些实施例中，将介电材料图案化，例如，通过纳米压印光刻(诸如R2RNIL)或者激光或化学蚀刻，诸如通过光致抗蚀剂掩模。然后利用合适的电极材料来填充在图案化的介电材料中的空腔。在独立实施例中，例如，当介电材料处于粘性液体或半固体状态时，将预成型电极插入介电层。在另一独立实施例中，可以使用在表面上的合适的化学反应在介电材料中或其上在原位生成电极(例如，碳电极)。石墨烯和其它碳墨(诸如氧化石墨烯墨)和烧结方法还可以是用于形成导电电极和互连的替代方法。
来自制造过程的电极的形状本质上可以是圆柱形的，或者由于压制、成形或蚀刻过程，电极可以是扁平的圆柱形或其它几何形状。弯曲的电极表面可能具有复杂的间距和几何考虑，尤其是当成对电极彼此实质上平行或垂直定向时。当期望在单层上进行高密度电容或单位晶格寻址时，成角的定向可能具有优势。
在一些实施例中，介电材料是熵材料，诸如包含聚合物分子的电熵材料，以及膜材料是由包含溶剂和多个聚合物分子的液体或浆料来制备的。合适的溶剂包括但不限于烷醇、亚烷基二醇、内酯、碳酸盐、水及其组合。示例性溶剂包括乙醇、乙二醇、水、内酯、碳酸盐及其组合。在一些实施例中，聚合物分子具有一个或多个极性官能团、可电离官能团或其组合。聚合物分子还可以包括一个或多个双键。合适的聚合物分子如上文所述。在某些实施例中，从混合物中去除未溶解的聚合物分子，例如，通过过滤或离心混合物。
液体或浆液可以进一步包含交联剂。合适的交联剂包括但不限于酸酐、碳二亚胺、亚氨酸酯、硼砂盐、硼氢化钠以及试剂，所述试剂包括N-羟基琥珀酰亚胺和马来酰亚胺、芳基叠氮化物或二氮杂萘基团(diazirine groups)的组合。常见的交联剂包括三烯丙基三嗪三酮和对于精通聚合物化学的人已知的其它三烯丙基或三乙烯基试剂。示例性酸酐包括马来酸酐、衣康酸酐、顺式-4-环己烯-1,2-二羧酸酐、顺式-5-降冰片烯-内-2,3-二羧酸酐及其组合。
在一些实施例中，液体或浆液还包括引发剂，诸如自由基引发剂，以初始化在聚合物分子之间的交联。示例性引发剂包括热活化和光活化的化学引发剂，包括但不限于偶氮二异丁腈、1,1’-偶氮二(环己甲腈(cyclohexanecarbonitrile))、过氧化二异丙苯、2-羟基-2-甲基苯基丙酮、樟脑醌、菲醌及其组合。在一个示例中，衣康酸酐和过氧化二异丙苯用于交联玉米醇溶蛋白分子。
一种或多种盐(诸如能够与聚合物分子形成有机盐和/或中和膜材料的盐)可以在完成交联之前加入液体或浆料中。在一些实施例中，可以使用碳酸盐(例如，碳酸胍、碳酸铯、碳酸锶或其组合)，因为该反应释放二氧化碳，以及不会对介电膜产生不期望的反离子污染。在一个实施例中，钛酸钡添加到液体或浆料中。在独立实施例中，添加了电压辅助剂，诸如非导电聚合物。
在独立实施例中，在原位形成介电膜的聚合物分子。介电材料液体或浆料包含交联剂和多个聚合物分子前体，所述聚合物分子前体包含一个或多个极性官能团、可电离官能团或其组合。在一些示例中，前体是氨基酸分子、寡肽、多肽或其组合。在某些实施例中，聚合物分子前体进一步包含对二甲苯单体。在一些实施例中，如前所述，将液体或浆料施加到衬底或可去除载体上。在施加之后，将交联剂活化，从而对聚合物分子前体进行交联，以提供包含多个聚合物分子的介电膜。交联过程还可以将聚合物分子中的一些聚合物分子结合到设置在衬底或可去除载体层上的电极的表面和/或结合到衬底或可去除载体层。在独立实施例中，可以在将液体或浆料施加到衬底或可去除载体之前，开始交联。
电极组通过任何合适的方式串行地连接到电互连。对电极的电连接可以是直接的或间接的。例如，可以使用标准的引线接合机械或导电粘合剂进行直接连接。在一些实施例中，例如，如图9-图12所示，一个或多个组的电极通过从主线延伸的分支连接到分支电互连。
在一些实施例中，在已经组装介电膜、电极和电互连之后，将电场施加到CESD。例如，可以通过激活每隔一行电极以及使交替行接地(连接到VSS)(例如，在图3-图6或图15的实施例中)，通过激活所有行电互连以及使所有列电互连接地(例如，在图7-图14的实施例中)，或者在共螺旋的情况下，通过激活一个电极，同时使另一电极接地(例如，在图18的实施例中)，来施加直流电场，使得一些电极用作正电极，而其它电极用作负电极。在一些实施例中，基于介电材料的平均厚度，利用从0.0001V/μm至1000V/μm或更大的范围内的施加的E场。在某些实施例中，取决于CESD的预期用途，施加的E场在从0.0001V/μm至100V/μm、100V/μm至1000V/μm或1V/μm至5V/μm的范围内。施加E场达一有效时间段，以将聚合物分子中的至少一些聚合物分子结合到带正电荷的电极，从而产生空间受限的介电膜。有效时间段至少部分地基于电场强度，以及可以在1秒至几分钟的范围内，诸如从30秒至60分钟、从5分钟至30分钟或从5分钟至15分钟。在一些实施例中，电场为0.0005-600V/μm，以及有效时间段为从0.0001秒至30分钟。
在独立实施例中，电极中的至少一些电极涂覆有绝缘层，以及在施加介电膜之前，可以将自由基引发剂施加到电极上。例如，绝缘层可以施加到一个或多个正电极。然后可以激活自由基引发剂，以将聚合物分子中的至少一些聚合物分子结合到绝缘层上，以及产生空间受限的介电膜。示例性自由基引发剂包括偶氮二异丁腈、1,1’-偶氮二(环己甲腈)、过氧化二异丙苯、2-羟基-2-甲基苯基丙酮、樟脑醌、菲醌及其组合、以及对于在聚合领域中的技术人员而言已知的其它自由基引发剂。自由基引发剂是通过氧化还原、光引发、热引发或对于在聚合领域中的技术人员而言已知的其它方法来激活的，从而将聚合物分子中的至少一种聚合物分子结合到在电极上的绝缘层。
在另一独立实施例中，电极中的至少一些电极(例如，一个或多个正电极)涂覆有绝缘层，以及介电材料的聚合物分子是利用衍生剂来衍生的，以提供能够交联到电极的绝缘层的官能团。官能团随后通过使用自由基引发剂、紫外光、热活化或其组合来交联到绝缘层，从而产生空间受限的介电膜。示例性衍生化试剂包括酸酐、碳二亚胺、亚氨酸酯和试剂，所述试剂包括N-羟基琥珀酰亚胺和马来酰亚胺、芳基叠氮化物或二氮杂萘基团的组合。在一些实施例中，衍生剂是酸酐，诸如马来酸酐、衣康酸酐、顺式-4-环己烯-1,2-二羧酸酐或顺式-5-降冰片烯-内-2,3-二羧酸酐。
参考图36，在电互连相互交叉的实施例中，例如，如图7-图14所示，该方法包括形成至少部分地嵌入介电材料中或与介电材料相接触的电极阵列，在电极之间具有空间，电极阵列包括设置在单个平面中的n组电极，其中n是大于或等于2的整数，各电极具有垂直于平面的中心轴(步骤3601)，将第一组电极串行地与第一电互连连接(步骤3602)，以及将第二组电极串行地与第二电互连连接，使得在第二电互连与第二互连交叉的各交叉点处存在垂直空间分离(步骤3603)。在一些实施例中，该方法包括将第一组电极串行地与第一电互连连接(步骤3602a)，在电极阵列和第一电互连上设置绝缘层，使得第一电互连在绝缘层下方(步骤3602b)，在绝缘层之上设置第二电互连，使得第二电互连位于绝缘层上方和第二组电极上方(步骤3602c)，以及在对应于在第二组电极中的电极的各位置形成穿过绝缘层的通孔，从而将第二行电互连串行地与在第二组中电极电连接(步骤3602d)。绝缘层可以是通过任何合适的方式来施加的，诸如通过在首先将第一电互连连接到第一组电极之后，将绝缘材料流动或喷涂到在部分组装的CESD上。在一些实施例中，绝缘层是聚(对二甲苯)。通孔是穿过在第二组电极上方的绝缘层来形成的，以及施加第二电互连，使得通孔将第二电互连连接到第二组的电极。在图7、图8和图10-14的示例性实施例中，行电互连115在绝缘层190上方，以及列电互连125在绝缘层190下方。
在单位晶格布置中，可以有多个电互连平面和多个绝缘层。例如，在图16和图17中所示的单位晶格包括设置在四个平面中的电互连。在一些实施例中，所示的单位晶格和/或单位晶格阵列因此包括三个绝缘层，以分隔电互连的四个平面。根据需要，通孔将延伸穿过一个、两个或所有三个绝缘层，以提供到适当的下面的电极的连接。
在任何或所有上述实施例中，上密封层可以沉积在CESD顶上。上密封层可以是绝缘层，诸如例如聚(对二甲苯)。上密封层是通过任何合适的方式来沉积的，诸如通过将密封材料流动或喷涂到组装好的CESD上。
图37是示出用于制造如图22A、图22B、图23、图31和图32所示的堆叠CESD的方法的实施例的流程图。该方法包括提供第一电极(步骤3701)，以及在第一电极上形成介电材料和导电材料的交替层的堆叠布置(步骤3702)。可选地(例如，关于如图22A、图22B、图23所示的管状CESD)，可以通过在衬底上形成第一电极来提供第一电极(步骤3700)。通过将一层介电材料施加到第一电极的表面(步骤3703)，将导电材料的层施加到该层介电材料上(步骤3704)，以及将介电材料的另一层施加到该层导电材料上(步骤3705)，来形成堆叠布置。如果期望更多的层(步骤3706)，则重复步骤3704和3705。当已经形成期望数量的层时，决定是否施加外部非导电密封材料(步骤3707)。如果期望可选的非导电密封材料，将其施加为与堆叠布置的一个或多个侧边相接触(例如，如图23所示)(步骤3708)。施加第二电极为与堆叠布置的最外层相接触，该最外层是介电材料层(步骤3709)。应当理解的是，可选步骤3708可以如图所示在步骤3709之前执行，或者替代地在步骤3709之后执行。当制造如图32所示的管状堆叠CESD时，可选的外部非导电密封材料3160可以施加到第二电极3120的面向外的表面3120b，或者施加到CESD 3100的所有外表面。
可以通过任何合适的方法来施加介电材料和导电材料的层。在一些实施例中，通过喷涂(例如，利用空气刷)、气相沉积或对于在成膜领域中的技术人员而言已知的其它方法来施加介电材料和/或导电材料层。或者，可以通过将基于溶剂的电介质(诸如粘性电介质)流动到第一电极或下面的导电材料层上来施加介电材料层。在一些情况下，介电材料加厚或固化，例如，通过去除溶剂，诸如通过蒸发，或者通过对在介电材料中的聚合物进行交联。通过类似的方法施加可选的非导电密封材料。
在其上已经形成第一电极的可去除载体或衬底可以随后通过任何合适的方法来去除。例如，包含水溶性聚合物的可去除载体可以是利用水来溶解和去除的。
图38是示出用于制造如图24-图26所示的堆叠CESD的普遍方法的一个实施例的流程图。该方法包括在n个平行平面或层中形成n组间隔开的平行电极的阵列(步骤3801)。可选地，电极阵列形成在衬底上。电极阵列可以是通过任何合适的方法来形成的，例如，如上文关于图35的方法所描述的。在层中的一组平行电极可以与相邻的一组平行电极成直角定向，或者该组平行电极可以相对于相邻组的平行电极旋转0-90°。有利地，电极被布置成使得电极端部将从完整的四边形CESD的两侧或更多侧突出，如参考图24-图26所讨论的。当已经形成电极阵列时，利用介电材料填充在电极之间的空间(步骤3802)。介电材料可以通过任何合适的方法设置在空间中，例如，如上文关于图35的方法所描述的。做出是否施加导电材料的决定(步骤3803)。如果期望可选的导电材料，则将其施加为与堆叠布置的两个或更多个侧边相接触(步骤3804)。可以通过任何合适的方式来施加可选的导电材料，诸如通过将导电材料流动或喷涂到侧边上。
图39是示出用于制造如图24-图26所示的堆叠CESD的普遍方法的独立实施例的流程图。该方法包括形成介电材料和电极的层(步骤3901)。可选地，介电材料层形成在衬底上。可以通过任何合适的方法来形成介电材料层，例如，如上文关于图35的方法所描述的。在一个实施例中，在介电材料的t层的上表面中形成多个平行槽(步骤3902a)。槽可以是通过任何合适的方法来形成的，诸如蚀刻、激光切割等。有利地，槽被形成为使得电极端可以从介电材料层的一个或多个侧边突出或者与其重合。在槽中的各槽中提供或形成电极(步骤3903a)。可以提供电极，例如，作为导线。或者，电极可以是形成在槽中的，例如，通过利用导电碳来填充槽。在另一实施例中，将多个平行电极施加到介电材料层的上表面(步骤3902b)。可以通过任何合适的方法来施加电极。例如，如本领域普通技术人员将理解的，液体形式的电极可以“印刷”到介电材料的上表面上。或者，电极材料层可以施加到介电材料的上层，以及然后去除多余的电极材料，以留下多个平行电极。介电材料和电极的后续层是形成在介电材料和电极的层的顶部的(步骤3904)。后续层的电极可以与第一层的电极成直角定向，或者后续层的电极可以相对于第一层的电极旋转0-45°。如果期望额外的层(步骤3905)，则重复步骤3904。当已经形成期望数量的层时，在介电材料和电极的顶部形成介电材料的最后一层(步骤3906)。做出是否施加外部非导电密封材料的决定(步骤3907)。如果期望可选的非导电密封材料，则将其施加为与堆叠布置的两个或更多个侧边相接触(步骤3908)。
V.使用CESD的方法
所公开的CESD可以用于能量存储、内存存储或其组合。本文公开的使用CESD的方法的实施例包括跨越设置在第一组电极中的电极与第二组电极中的相邻电极之间的电容元件来施加电压，其中电容元件是位于第一组中的电极与第二组中的相邻电极之间的介电材料的区域，从而将电容元件充电到电压V1。基于介电材料的平均厚度，施加的电场可以是从0.001V/μm至1000V/μm或更高。在一个实施例中，施加的E场从100V/μm至1000V/μm。在独立实施例中，施加的E场从0.001V/μm至100V/μm。在另一独立实施例中，施加的电场从1V/μm至5V/μm。
图40是示出对CESD的电容元件充电的普遍方法的流程图。该方法包括在过程块4001处提供CESD，其包括通过在第一组电极的第一电极与第二组电极的第二电极之间的介电材料的区域来限定的至少一个电容元件，第一组电极串行地连接到第一电互连，以及第二组电极串行地连接到第二电互连。通过向第一电互连施加电压，以及将第二电互连连接到VSS达一时间段，跨越电容元件来施加电压(步骤4002)。
当CESD包括对准的或交错的电极行的阵列时，各行构成一组电极(例如，如图3-图6和图15所示)，施加电压给在相邻行激活电极之间的多个电容元件充电。这样的实施例作为大容量储能设备或在其中可期望更高电压输出的设备可能特别有用。实际上，在一些示例中，可以激活所有行，以同时对在CESD内的所有电容元件进行充电或放电。
在CESD包括电极的行和列的阵列的实施例中(例如，如图7-图14所示)，其中各行包括与一个或多个其它组的电极交替的第一组的电极，第一电互连将第一组的各电极串行地连接成一行，未被第一电互连连接的第二组电极是通过第二电互连来串行地连接在一列中的，以及施加电压给在两个相邻的激活电极之间的一个或多个电容元件充电。类似地，当CESD包括单位晶格的阵列时(例如，如图16和图17所示)，施加电压给在两个相邻的激活电极之间的一个或多个电容元件充电。在一些实施例中，CESD是存储设备，以及各电容元件具有由跨越电容元件施加的电压来确定的逻辑状态。
在任何前述实施例中，可以通过提供包括CESD和连接到CESD的负载的电路，从CESD向负载提供能量，其中电容元件被充电到电压V1；以及跨越电容元件来施加反向极化电势达一放电时间段，其中反向极化电势小于电压V1以及小于电容元件在高阻抗状态下将会生成的电压，从而从电容元件向负载供电。例如，当CESD具有大的几何形状，诸如能量收集器和存储单元或大的能量存储单元时，该方法可能是有利的。该方法还可以用来间接地增加CESD对负载的电压输出。
图41是示出从CESD向负载供应能量的普遍方法的流程图。该方法包括在过程块4101处提供电路，该电路包括具有充电到第一电压电平的至少一个电容元件的CESD，该电容元件由在第一电极与第二电极之间的介电材料的区域来限定；在一些实施例中，介电膜包括如本文公开的电熵介电材料。第一电极连接到第一电互连，以及第二电极连接到第二电互连。在第一电极与第二电极之间的电容元件通过跨越电容元件施加电压来充电，例如，通过向第一电互连施加电压以及将第二电互连连接到VSS。本领域普通技术人员理解的是，替代地，电压可以施加到第二电互连，以及第一电互连可以连接到VSS。跨越电容元件来施加反向极化电势达一放电时间段，从而从CESD向负载供电(步骤4102)。通过将第一电互连和第二电互连中的一者连接到负载，以及将第一电互连和第二电互连中的另一者连接到VSS，可以跨越电容元件来施加反向极化电势。例如，如果电容元件通过向第一电互连施加电压以及使第二电互连接地来充电，则可以通过将第二电互连连接到负载以及使第一电互连接地来施加反向极化电势。在一些实施例中，CESD包括多个带电的电容元件，以及该方法还包括在放电时间段内跨越多个带电的电容元件来施加反向极化电势。
图42是示出对堆叠CESD的电容元件充电的普遍方法的流程图(例如，如图24-图26所示)。该方法包括在过程块4201处提供堆叠CESD，该堆叠CESD包括通过在第一组电极的第一电极与第二组电极的第二电极之间的介电材料的区域来限定的至少一个电容元件，第一组电极并行地连接到第一导电材料，以及第二组电极并行地连接到第二导电材料。通过向第一导电材料施加电压以及将第二导电材料连接到VSS达一时间段，跨越电容元件来施加电压(步骤4202)。
图43是示出从堆叠CESD向负载供应能量的普遍方法的流程图。该方法包括在过程块4301处提供包括堆叠CESD的电路，该堆叠CESD具有充电到第一电压电平的至少一个电容元件，该电容元件是通过在第一电极与第二电极之间的介电材料的区域来限定的；在一些实施例中，介电材料包括如本文公开的电熵介电材料。第一电极连接到第一导电材料，以及第二电极连接到第二导电材料。在第一电极与第二电极之间的电容元件是通过跨越电容元件施加电压来充电的，例如，通过向第一导电材料施加电压以及将第二导电材料连接到VSS。本领域普通技术人员理解的是，替代地，电压可以施加到第二导电材料，以及第一导电材料可以连接到VSS。跨越电容元件来施加反向极化电势达一放电时间段，从而从堆叠CESD向负载供电(步骤4302)。通过将第一导电材料和第二导电材料中的一者连接到负载，以及将第一导电材料和第二导电材料中的另一者连接到VSS，例如，接地，可以跨越电容元件来施加反向极化电势。例如，如果电容元件通过向第一导电材料施加电压以及使第二导电材料接地来充电，则可以通过将第二导电材料连接到负载以及使第一导电材料接地来施加反向极化电势。在一些实施例中，CESD包括多个带电的电容元件，以及该方法还包括在放电时间段内跨越多个带电的电容元件来施加反向极化电势。
当首先以非极化状态或起始状态(例如，在制造之后的介电材料的状态)制造介电材料时，介电材料具有“固有电容”，这可以是通过施加的电压来改变的。因此，在任何或所有上述实施例中，电容元件可以具有固有电容，以及跨越电容元件来施加电压会改变固有电容。在某些实施例中，当去除施加的电压时，电容元件的固有电容保持不变。
在一些实施例中，如图44的流程图所示，读取和写入存储设备的方法包括提供包括CESD的存储设备(步骤4401)，以及通过跨越设置在第一组电极中的电极与第二组电极中的相邻电极之间的电容元件施加电压来写入存储设备，其中电容元件是位于第一组中的电极与第二组中的相邻电极之间的介电材料的区域，从而将电容元件充电到电压V1(步骤4402)。通过向串行地连接第一组电极的第一电互连施加电压(步骤4402a)，以及将串行地连接第二组电极的第二电互连接地(或连接到VSS)(步骤4402b)，可以跨越电容元件来施加电压。该方法还可以包括读取存储设备(步骤4403)。可以通过将第一电互连和第二电互连中的一者连接到高阻抗传感器(步骤4403a)、将第一电互连和第二电互连中的另一者连接到地/VSS(步骤4403b)，以及利用高阻抗传感器读取电容元件的电压V1(步骤4403c)，来读取存储设备。
在向特定电容元件写入电压电平期间，将电场压印在限定电容元件的区域中的电介质上，导致介电材料的介电常数的变化。介电常数的这种变化是电压的函数。结果，即使不需要精确的电压电平，CESD也将起到内存存储设备的作用。如果允许特定电容元件的电压电平消散(这可能是非常长的时间，例如，>3秒)，则介电材料的介电常数仍然可以是通过利用库仑电荷(columbic charge)的“脉冲”来确定的。如果电容元件充电到给定的电压水平，即使在电容元件任一侧的电极处的电荷耗尽，在限定电容元件的区域中的介电材料的介电常数仍保持在与E场仍然存在时电介质将会具有的电压(E场)一致的水平。例如，如果电容元件被充电到1V，则介电材料将具有与施加的电压一致的特性介电常数。如果在电容元件任一侧的电极随后断开，以及电容元件的电压部分地或完全地耗散，则电容元件的介电常数将保持基本不变。电介质的这样的滞后特性有利于在对给定电容元件的小电流脉冲下确定在电容元件中的电压电平变化。然后，该库仑脉冲(columbic pulse)将引起在剩余电压中的微小变化，该变化与电介质的介电常数成比例，该介电常数与电容元件的电容成正比，如下所述。
在电荷Q、电容C和电势V之间的一般关系是：
Q＝C x V 等式1
在大多数情况下，电容C典型地被认为是恒定的物理性质。可以通过给其提供一个非常小的扰动电荷，来测量在阵列中的特定电容元件的电容。在电容元件中，施加电势(或场)可以影响限定电容元件的介电区域的相对介电常数。假设这样的效应在很大程度上是电压(电介质的极化)的函数，这种特性可以用来确定电容元件的状态，而不需要非常精确的对电压的测量。无论电容元件的极化状态如何，扰动电荷都不应当足以影响在电容元件中的电容变化。鉴于这样情况，当在电容元件的任一侧的电极上的电荷dQ发生变化时，这将变为：
Q+dQ＝C x V’ 等式2
其中V’是跨越电容元件的新电势。通过从等式2中减去等式1，可以根据在电荷和电势中的变化来确定电容C。
Q+dQ–Q＝CV’-CV 等式3
dQ＝C x(V’-V) 等式4
将电容元件的电容的值C与针对电容元件的充电和未充电状态的预定值相比较，以及因此逻辑状态与电容相关，而不是与在电容元件的任一侧的电极处出现的电压相关。
在该关系中，C＝K*e0*A/d，其中A是电极中的一个电极与限定电容元件的介电材料的区域相接触的面积，d是在电极之间的距离，以及e0是真空的介电常数(8.8542×10- 12F/m)，除了针对相对介电常数K之外，所有量都是常数。因此，电压与在给定电容元件的电容中变化相关。
电介质的总极化取决于至少三种不同的能量存储机制(如通过与充电曲线的曲线拟合定义的)。最快的能量存储(充电)机制受最长期能量存储机制的极化状态的影响。因此，随着最长期能量极化的发生，对更快极化机制的测量表明了显著的变化。在这种快速短期极化中的变化可以用来确定下面的长期极化可能是什么。
通过测量电容元件的电容来确定电容元件的原始极化水平。对极化进行的电容元件的电容的校准曲线用于计算原始编程极化。进行这样的计算的方法可以像查找表格、模拟电压参考电平或在众所周知的逻辑器件中的数学计算一样简单。
以这样的方式，在对电容元件的刷新电荷之间允许经过的时间的长度大大延长或实际上完全消除。有利地，对于电子开关的给定噪声水平，用于确定电容的电荷量实际上应该尽可能小。对于在模拟电子领域中精通的技术人员而言已知用于微小电荷水平的移动的方法。电介质的初始极化状态的确定可以是通过在长时间段内施加过多电荷而显著改变的；因此，通常使用单个地或在多个应用中施加的最小量的电荷。以这样的方式，存储设备的能力扩展了这样的数量，以使得该方法的利用扩展到数字数据的非常长期的存储中。诸如这些被称为非易失性存储器，以及可以被认为是“永久的”存储器和数据存储。
包括CESD的存储设备可以是通过以下方式来刷新的：(i)将在CESD中的电容元件充电到电压V1，其中电压V1至少部分地由于随时间的泄漏而放电；(ii)随后确定电容元件的电容C；(iii)基于电容C来确定电压V1；以及将电容元件再充电到电压V1。在一些实施例中，电容C与电压V1相关，以及当电压V1由于泄漏而放电时，电容C保持基本不变。通过向串行地连接第一组电极的第一电互连施加电压，以及将串行地连接第二组电极的第二电互连接地(或连接到VSS)，可以将在CESD中的电容元件充电到电压V1。电容元件的电容C可以是通过以下方式来确定的：(i)读取电容元件的电压V；(ii)向电容元件施加扰动电荷dQ，其中扰动电荷dQ具有足以引起在电压V中的变化而不引起在电容C中变化的量级；(iii)随后读取EESD的电压V'；以及(iv)确定电容C，其中C＝dQ/(V'-V)。当激活两个电极寻址多个电容元件时，所有寻址的电容元件一起读取，以及将这些值进行平均。
图45是示出确定在如本文所公开的包括CESD的存储设备中的电容元件的电容以及刷新存储设备的示例性方法的流程图。在步骤4501中，CESD的电容元件最初被充电到电压V1。经过一时间段后，在步骤4502中确定电容元件的电容C。确定电容C可以包括读取电容元件的电压V(步骤4502a)，向电容元件添加扰动电荷dQ(步骤4502b)，读取电容元件的后续电压V’(步骤4502c)，以及根据等式5计算电容元件的电容C(步骤4502d)。在一些实施例中，扰动电荷dQ具有大约等于由于随时间的泄漏而导致的放电的量级的量级。放电的量级可以是电容元件的充电容量的从0.1-50％，诸如充电容量的从1-50％、1-25％、1-10％或1-5％。在某些实施例中，扰动电荷dQ具有在1×10-15库仑至1×10-2库仑的范围内的量级，诸如从1×10-15库仑至1×10-6库仑、从1×10-12库仑至1×10-6库仑或从1×10-12库仑至1×10-10库仑的量级。在步骤4503，基于电容C来确定电容元件的初始电压V1。可以通过将电容C与对应于电容元件的充电和放电的状态的预定值进行比较来确定V1。在步骤4504，电容元件被再充电到初始电压V1。可以通过选择足以将电容元件再充电到初始电压V1的电压V2(步骤4504a)，以及然后将所选择的电压V2写入电容元件(步骤4504b)，来执行对电容元件进行再充电。
可以通过将第一电互连和第二电互连中的一者连接到高阻抗传感器，将第一电互连和第二电互连中的另一者连接到VSS，以及利用高阻抗传感器读取电容元件的电压V1，来读取存储设备。图46是示出读取包括如本文所公开的CESD的存储设备的一种方法的流程图。在进入RAM操作时(步骤4601)，存储设备是利用数据来加载的(步骤4602)。存储设备随后断电(步骤4603)。在步骤4604，存储设备被重新供电到活动状态。存储设备然后进入启动逻辑电路刷新(步骤4605)。存储器地址被设置为存储器0(步骤4606)，以及启动电容存储器读取/刷新例程(步骤4606)。在存储器读取/刷新例程中，电互连被设置为寻址存储器块(即，多个电容元件)或单个存储器位置(即，围绕单个激活电极的一个或多个电容元件)(步骤4607a)，以及读取存储器位置的电压V(步骤4607b)。扰动电荷dQ被添加到存储器位置(步骤4607c)，以及读取电压V’(步骤4607d)。根据等式5计算电容元件的电容(步骤4607e)。将电容与逻辑电平进行比较(步骤4607f)。向电容元件施加电压改变了介电材料的固有电容。增量电压(例如，增量为0.25V的电压)可以用于在增量中改变固有电容，其中各增量电容对应于电容元件的逻辑电平。当去除施加的电压时，固有电容保持不变。因此，电容表示最初施加的电压。例如，可以使用将电容与初始电压V进行相关的查找表来执行比较。选择足以将电容元件电压恢复回与逻辑电平相关联的初始值V的电压，以及将其写入电容元件(步骤4607g)。例程然后递增到下一个存储器位置(步骤4607h)。在步骤4608，查询询问最后一个存储器位置是否已经完成。如果答案是否定的，则重复存储器读取/刷新例程。如果答案是肯定的，则在步骤4609退出启动逻辑电路刷新。在一些实施例中，电容元件可以是利用增量电压来充电的，以每电容元件提供八个逻辑电平和两比特。
在以下编号的条款中公开了某些代表性的实施例。
1.一种电容储能设备(CESD)，包括：电极阵列，在电极之间具有空间，所述电极阵列包括在平面中的n组电极，其中n是大于或等于2的整数，各电极具有垂直于平面的中心轴AC；针对各组电极的电互连，各电互连串行地连接组中的电极；以及介电材料，其占据在电极之间的空间以及与电极接触，其中，位于相邻电极之间的介电材料的区域限定电容元件。
2.根据条款1所述的CESD，其中，所述阵列包括对准的电极行，使得在一行中的各电极的中心轴与在相邻行中的电极的中心轴对准，各行构成一组电极。
3.根据条款1所述的CESD，其中，所述阵列包括交错的电极行，使得在一行中的各电极的中心轴不与在相邻行中的电极的中心轴对准，各行构成一组电极。
4.根据条款1所述的CESD，其中：阵列包括交错的电极行，使得在一行中的各电极的中心轴不与在相邻行中的电极的中心轴对准；各行还包括串行地连接在所述行中的一组交替电极的行电互连；以及未通过行电互连来连接的交错电极组是通过列电互连来成列连接的，列电互连从交错电极的中心轴偏移，其中，在行电互连与列电互连交叉的各交叉点存在垂直空间分离。
5.根据条款1所述的CESD，其中：所述阵列包括电极的行和列的网格图案，其中，各行包括与多个列组中的电极交替的行组中的电极；各行组还包括串行地连接行组中的各电极的行电互连；以及各列组还包括串行地连接列组中的各电极的列电互连，其中，在行电互连与列电互连交叉的各交叉点处，存在垂直空间分离。
6.根据条款3-5中任一项所述的CESD，还包括：绝缘层，其设置在行电互连与列电互连之间，使得行电互连在绝缘层上方，以及列电互连在绝缘层下方；以及通孔，其由绝缘层针对行组中的各电极来限定的，所述通孔将电极连接到行电互连。
7.根据条款6所述的CESD，其中，所述绝缘层包含聚合的对二甲苯或包含对二甲苯和共聚单体的共聚物。
8.根据条款4或条款5所述的CESD，其中：所述行电互连在第一组的各电极的下表面上方的高度h1处与第一组的电极接触；以及所述列电互连在第二组的各电极的下表面上方的高度h2处与第二组的电极接触，其中，h1≠h2。
9.根据条款1-8中任一项所述的CESD，其中，行电互连中的各行电互连和列电互连中的各列电互连具有矩形、圆形或椭圆形截面轮廓。
10.根据条款9所述的CESD，其中，行电互连和/或列电互连中的每一者包括电绝缘金属、碳化聚合物、导电碳或导电聚合物。
11.一种电容储能设备(CESD)，包括单位晶格，所述单位晶格包括：多个电极，其至少形成多边形的形状，在多边形的各顶点具有一电极；多个电互连，其数量等于在单位晶格中的电极的数量，各电互连连接到在单位晶格中的单个电极，其中，在两个或更多个电互连的各交叉点处，存在垂直空间分离；以及介电材料，其占据在电极之间的空间，其中，位于相邻电极之间的介电材料的区域限定电容元件。
12.根据条款11所述的CESD，还包括在多边形的中心处的电极。
13.根据条款11或12所述的CESD，其中，所述多边形是六边形。
14.根据条款11-13中任一项所述的CESD，还包括：绝缘层，其设置在交叉电互连之间；以及通孔，其由绝缘层限定以将在绝缘层上方的电互连连接到在电互连和绝缘层下方的电极。
15.根据条款11-14中任一项所述的CESD，还包括单位晶格的阵列。
16.根据条款15所述的CESD，其中，所述阵列包括单位晶格的行。
17.根据条款16所述的CESD，其中：所述多边形是六边形；所述单位晶格还包括在六边形的中心处的电极；以及所述单位晶格是在行中交错的，使得六边形的中心与在相邻行中的各相邻行中的六边形的边缘对准。
18.根据条款15-17中任一项所述的CESD，其中，在两个或更多个单位晶格中的相应位置的共线电极是串行地通过电互连来连接的。
19.根据条款1-18中任一项所述的CESD，还包括平面非导电衬底，其中：所述电极阵列设置在衬底上，各电极的中心轴通常垂直于衬底来延伸；以及所述介电材料设置在衬底上以及占据在电极之间的空间。
20.根据条款19所述的CESD，其中，所述平面非导电衬底包括非导电聚合物。
21.根据条款1-20中任一项所述的CESD，其中，各电容元件具有固有电容，以及所述固有电容是通过施加在与电容元件相邻的两个电极之间的电压来改变的。
22.根据条款1-21中任一项所述的CESD，其中，各电极具有右圆柱形配置、椭圆形圆柱形配置、多边形圆柱形配置、球形配置或半球形配置。
23.根据条款22所述的CESD，其中，在相邻电极之间的中心轴到中心轴的间距在5nm至5mm的范围内。
24.根据条款1-23中任一项所述的CESD，其中，电连接中的各电连接包括电绝缘金属、碳化聚合物、导电碳或导电聚合物。
25.根据条款24所述的CESD，其中，所述电绝缘金属是涂覆有自组装单层、聚(对二甲苯)或其组合的金属。
26.根据条款1-25中任一项所述的CESD，其中：(i)各电极具有沿中心轴的从50nm至1200μm的高度；(ii)在一组电极中的各电极具有沿中心轴的实质上相同的高度；(iii)在阵列中的各电极具有沿中心轴的实质上相同的高度；或(iv)(i)、(ii)和(iii)的任何组合。
27.一种电容储能设备(CESD)，包括：两个或更多个电极，其是以共螺旋布置来设置的，在电极之间具有空间，其中，所述两个或更多个电极不彼此相交；以及介电材料，其占据在电极之间的空间以及与电极相接触。
28.根据条款27所述的CESD，其中，所述电极是遍及螺旋布置来彼此等距间隔的。
29.根据条款27或条款28所述的CESD，其中，所述共螺旋布置具有圆形、椭圆形或多边形形状。
30.根据条款1-29中任一项所述的CESD，其中，所述电极包括导电碳、导电有机材料、导电金属或半导体。
31.根据条款1-30中任一项所述的CESD，其中，各电极是阳极氧化的或涂有聚(对二甲苯)的。
32.根据条款1-31中任一项所述的CESD，还包括上密封层。
33.根据条款32所述的CESD，其中，所述上密封层包括聚(对二甲苯)。
34.根据条款1-33中任一项所述的CESD，其中，所述介电材料是具有大于3.9的相对介电常数的电熵介电材料。
35.根据条款34所述的CESD，其中，所述电熵介电材料包括多个聚合物分子。
36.根据条款35所述的CESD，其中，所述聚合物分子包括蛋白质、聚(对二甲苯)聚(马来酸)、丙烯酸聚合物、甲基丙烯酸聚合物、聚乙二醇、聚氨酯聚合物、环氧聚合物、硅氧烷聚合物、萜类聚合物、天然存在的树脂聚合物、多异氰酸酯或其组合。
37.根据条款35所述的CESD，其中，所述聚合物分子是聚(对二甲苯)、玉米醇溶蛋白、聚(马来酸)、虫胶、硅油或其组合。
38.根据条款34-37中任一项所述的CESD，其中，所述电熵介电材料还包括无机盐。
39.根据条款38所述的CESD，其中，所述无机盐包括IIA族金属离子、IIIA族金属离子或其组合。
40.根据第38条所述的CESD，其中，所述CESD是存储设备、大容量储能设备或组合的存储器和储能设备的组件。
41.一种用于制造根据条款1-26或30-40中任一项所述的电容储能设备(CESD)的方法，包括：形成至少部分地嵌入介电材料中或与介电材料相接触的电极阵列，在电极之间具有空间，所述电极阵列包括布置在单个平面中的n组电极，其中，n是大于或等于2的整数，各电极具有垂直于所述平面的中心轴；以及将各组中的电极串行地与电互连来连接，从而形成CESD。
42.根据条款41所述的方法，其中，形成至少部分地嵌入介电材料中或与介电材料相接触的电极阵列还包括：形成电极阵列；以及将介电材料设置在电极之间的空间中。
43.根据条款41或条款42所述的方法，其中，形成电极阵列包括通过纳米光刻、微光刻、荫罩聚合或筛选工艺在衬底上形成电极。
44.根据条款41所述的方法，其中，形成至少部分地嵌入介电材料中或与介电材料相接触的电极阵列还包括：在衬底上形成介电材料层；以及至少部分地将电极嵌入介电材料中，或者将电极放置为与介电材料相接触，以形成电极阵列。
45.根据条款43或条款44所述的方法，其中，所述衬底是非导电衬底。
46.根据条款43-45中任一项所述的方法，其中，所述衬底是可去除载体层，所述方法还包括在形成至少部分地嵌入介电材料中或与介电材料相接触的电极阵列之后去除衬底。
47.根据条款41-46中任一项所述的方法，其中，串行地连接在各组内的电极包括：将第一组电极串行地与第一电互连连接；以及将第二组电极串行地与第二电互连连接，使得在第二电互连与第一电互连交叉的各交叉点处，存在垂直空间分离。
48.根据条款47所述的方法，还包括：将绝缘层设置在电极阵列和第一电互连上，使得第一电互连在绝缘层下方；将第二电互连设置在绝缘层上，使得第二电互连位于绝缘层上方和第二组电极上方；以及在对应于在第二组电极中的电极的各位置处，形成通过绝缘层的通孔，从而将第二行电互连串行地电连接到在第二组中的电极。
49.根据条款41-48中任一项的方法，还包括在CESD上沉积上密封层。
50.一种用于使用根据条款1-26或30-40中任一项所述的电容储能设备(CESD)的方法，包括：提供根据条款1-26或30-40中任一项所述的CESD；以及跨越设置在第一组电极中的电极与第二组电极中的相邻电极之间的电容元件来施加电压，其中，所述电容元件是位于第一组中的电极与第二组中的相邻电极之间的介电材料的区域，从而将电容元件充电到电压V1。
51.根据条款50所述的方法，其中，跨越电容元件来施加电压包括：向串行地连接第一组电极的第一电互连施加电压；以及将第二电互连连接到VSS，所述第二电互连串行地连接第二组电极。
52.根据条款50或条款51所述的方法，其中：所述CESD包括对准的或交错的电极行的阵列，各行构成一组电极，其中，所述设备包括多个电容元件，各电容元件是通过位于在相邻电极行中的两个电极之间的介电材料的区域来限定的；以及施加电压给在相邻电极行之间的多个电容元件充电。
53.根据条款50或条款51所述的方法，其中：所述CESD包括电极的行和列的阵列，其中，各行包括与一个或多个其它组的电极交替的第一组的电极；第一电互连串行地成行连接第一组的各电极；未通过第一电互连连接的第二组电极是通过第二电互连串行地成列连接的；以及施加电压给邻近第一组或第二组的一个电极的两个或更多个电容元件充电。
54.根据条款50-53中任一项所述的方法，还包括通过以下步骤从CESD向负载供应能量：提供包括CESD和连接到CESD的负载的电路，其中，所述电容元件被充电到电压V1；以及跨越电容元件来施加反向极化电势达一放电时间段，其中，所述反向极化电势小于电压V1以及小于电容元件在高阻抗状态下将会生成的电压，从而从电容元件向负载供电。
55.根据条款54所述的方法，其中，跨越电容元件来施加反向极化电势包括：将第一电互连和第二电互连之中的一者接到负载；以及将第一电互连和第二电互连中的另一者连接到VSS。
56.根据条款50-53中任一项所述的方法，其中，所述CESD是存储设备，以及所述电容元件具有通过跨越电容元件来施加的电压来确定的逻辑状态。
57.根据条款50-56中任一项所述的方法，其中，所述电容元件具有固有电容，以及跨越电容元件来施加电压改变固有电容。
58.根据条款57所述的方法，其中，当去除施加的电压时，电容元件的固有电容保持不变。
59.一种使用存储设备的方法，包括：提供包括根据条款1-26或30-40中任一项所述的电容储能设备(CESD)的存储设备；以及通过跨越设置在第一组电极中的电极与第二组电极中的相邻电极之间的电容元件来施加电压，来写入存储设备，其中，所述电容元件是位于第一组中的电极与第二组中的相邻电极之间的介电材料的区域，从而将所述电容元件充电到电压V1。
60.根据第59条所述的方法，其中，跨越电容元件来施加电压包括：向串行地连接第一组电极的第一电互连施加电压；以及将第二电互连连接到VSS，所述第二电互连串行地连接第二组的电极。
61.根据条款59或条款60所述的方法，还包括通过以下步骤读取存储设备：将第一电互连和第二电互连中的一者连接到高阻抗传感器；将第一电互连和第二电互连中的另一者连接到VSS；以及利用高阻抗传感器读取电容元件的电压V1。
62.一种刷新存储设备的方法，包括：提供根据条款1-26或30-40中任一项所述的电容储能设备(CESD)；将在CESD中的电容元件充电到电压V1，其中，电压V1至少部分地由于随时间的泄漏而放电；随后确定电容元件的电容C；基于电容C来确定电压V1；以及将电容元件再充电到电压V1。
63.根据条款62所述的方法，其中，所述电容C与电压V1相关，以及随着电压V1由于泄漏而放电，所述电容C保持基本不变。
64.根据条款62或条款63所述的方法，其中，将在CESD中的电容元件充电到电压V1包括：将电压施加到串行地连接第一组电极的第一电互连；以及将第二电互连连接到VSS，所述第二电互连串行地连接第二组的电极。
65.根据条款62-64中任一项所述的方法，其中，确定电容元件的电容C包括：读取电容元件的电压V；向电容元件施加扰动电荷dQ，其中，所述扰动电荷dQ具有足以引起在电压V中的变化而不引起在电容C中的变化的量级；随后读取EESD的电压V'；以及确定电容C，其中，C＝dQ(V'-V)。
66.根据条款62-65中任一项所述的方法，其中，在泄漏之前确定初始电压V1包括：将电容元件的电容C与针对电容元件在充电和未充电状态下的预定电容值进行比较，从而将电容C与电压V1相关联。
67.根据条款62-66中任一项所述的方法，其中，将CESD再充电到电压V1包括：选择足以将电容元件再充电到电压V1的电压V2；以及将所选择的电压V2写入电容元件，从而将电容元件再充电到电压V1。
68.一种从电容储能设备(CESD)向负载提供能量的方法，包括：提供包括根据条款1-26或30-40中任一项所述的CESD和连接到CESD的负载的电路，所述CESD包括充电到第一电压电平的至少一个带电的电容元件，其中，所述带电的电容元件设置在第一组电极中的电极与第二组电极中的相邻电极之间；以及跨越带电的电容元件来施加反向极化电势达一放电时间段，其中，所述反向极化电势小于第一电压电平以及小于由带电的电容元件在高阻抗状态下将会生成的电压，从而从带电的电容元件向负载供电。
69.根据条款68所述的方法，其中，跨越电容元件来施加反向极化电势包括：将连接第一组电极的第一电互连串行地连接到负载；以及将连接第二组电极的第二电互连串行地连接到VSS。
70.根据条款68或条款69所述的方法，其中，所述CESD包括多个带电的电容元件，所述方法还包括跨越所述多个带电的电容元件来施加反向极化电势一放电时间段。
71.一种堆叠电容储能设备(CESD)，包括：第一电极；第二电极，其平行于第一电极以及与第一电极间隔开，从而在第一电极与第二电极之间形成空间；以及介电材料和导电材料的交替层的堆叠布置，其平行于第一电极和第二电极设置以及占据在第一电极与第二电极之间的空间，其中，所述堆叠布置包括：x层的介电材料，其中，(i)x是大于或等于2的整数，(ii)介电材料的第一层与第一电极直接接触，以及(iii)介电材料的层x与第二电极直接接触；以及y层的导电材料，其中，y＝x-1，以及导电材料的层是位于介电材料中的各对相邻层之间的。
72.根据条款71所述的堆叠CESD，其中，所述介电材料是具有大于或等于0.5cP的粘度的流体。
73.根据条款71或条款72所述的堆叠CESD，其中，所述介电材料是具有大于3.9的相对介电常数的电熵介电材料。
74.根据条款73所述的堆叠CESD，其中，所述电熵介电材料包括多个聚合物分子。
75.根据条款74所述的堆叠CESD，其中，所述聚合物分子包括蛋白质、聚(对二甲苯)聚(马来酸)、丙烯酸聚合物、甲基丙烯酸聚合物、聚乙二醇、聚氨酯聚合物、环氧聚合物、硅氧烷聚合物、萜类聚合物、天然存在的树脂聚合物、多异氰酸酯或其组合。
76.根据条款75所述的堆叠CESD，其中，所述聚合物分子是聚(对二甲苯)、玉米醇溶蛋白、聚(马来酸)、虫胶、硅油或其组合。
77.根据条款71-76中任一项所述的堆叠CESD，其中，所述导电材料包括碳质材料、金属、导电聚合物或其组合。
78.根据条款77所述的堆叠CESD，其中，所述导电材料包括碳粉、石墨烯、石墨、铝、聚苯胺或聚(N-甲基吡咯)。
79.根据条款71-78中任一项所述的堆叠CESD，其中，介电材料中的各层介电材料具有在0.0001μm至100μm的范围内的厚度。
80.根据条款79所述的堆叠CESD，其中，介电材料中的各层介电材料的厚度相同。
81.根据条款71-80中任一项所述的堆叠CESD，其中，导电材料中的各层导电材料具有在0.0005μm-10000μm的范围内的厚度。
82.根据条款81所述的堆叠CESD，其中，导电材料中的各层导电材料的厚度相同。
83.根据条款71-82中任一项所述的堆叠CESD，还包括非导电密封材料，其与堆叠布置的一个或多个侧边相接触以及从第一电极延伸至第二电极。
84.根据条款83所述的堆叠CESD，其中，所述非导电密封材料包括聚合的对二甲苯、包括对二甲苯和共聚单体的共聚物或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
85.根据条款71-84中任一项所述的堆叠CESD，其中，x是从2至10的整数，以及所述堆叠CESD具有从第一电极的面向外的表面到第二电极的面向外的表面测量的在从10μm至2000μm范围内的高度。
86.根据条款71-84中任一项所述的堆叠CESD，其中：第一电极具有圆柱形配置、面向内的表面、面向外的表面以及外径；第二电极具有圆柱形配置、面向内的表面、面向外的表面以及大于第一电极外径的内径；以及堆叠布置是在介电材料和导电材料的同心交替层中的第一电极的面向外的表面和第二电极的面向内的表面之间设置的。
87.根据条款86所述的堆叠CESD，还包括与第二电极的面向外的表面相接触的外部非导电涂层。
88.一种用于制造堆叠电容储能设备(CESD)的方法，该方法包括：(a)提供第一电极；(b)通过以下步骤形成介电材料和导电材料的交替层的堆叠布置：(i)将介电材料层施加到第一电极的表面，(ii)将导电材料层施加到介电材料层上，以及(iii)将介电材料的后续层施加到导电材料层上，以及(c)施加与堆叠布置的最外层相接触的第二电极。
89.根据条款88所述的方法，还包括依次重复步骤(ii)和(iii)，以提供介电材料和导电材料的额外交替层，所述额外交替层以介电材料层终止，使得堆叠布置包括x层的介电材料与y层的导电材料交替，其中，x是大于或等于2的整数以及y＝x-1。
90.根据条款88或条款89所述的方法，还包括施加非导电密封材料，所述非导电密封材料与堆叠布置的一个或多个侧边相接触，以及从第一电极延伸至第二电极。
91.一种电容储能设备(CESD)，包括：第一电极；第二电极，其以螺旋配置缠绕在第一电极周围，其中，在第一电极与第二电极之间存在空间；以及介电材料，其占据在第一电极与第二电极之间的空间以及与第一电极和第二电极相接触，其中，位于电极之间的介电材料的区域限定电容元件。
92.根据条款91所述的CESD，还包括第三电极，所述第三电极具有围绕所述第一电极和第二电极的管状配置，其中，在所述第三管状电极与所述第二电极之间存在空间，所述空间填充有介电材料。
93.一种堆叠电容储能设备(CESD)，包括：电极阵列，在电极之间具有空间，所述电极阵列包括n组间隔开的平行电极，形成n个堆叠的平行层的平行电极，其中，n是大于或等于2的整数，各电极具有平行于所述层的中心轴；以及介电材料，其占据在电极之间的空间以及与电极接触，其中，位于相邻电极之间的介电材料的区域限定电容元件。
92.根据条款91所述的堆叠CESD，其中，在各层中的平行电极相对于在各相邻层中的平行电极旋转从0-90°。
93.根据条款92所述的堆叠CESD，其中，在各层中的平行电极相对于在各相邻层中的平行电极旋转90°。
94.根据条款91-93中任一项所述的堆叠CESD，其中，所述堆叠CESD具有限定四个侧边的四边形配置，以及各电极具有从CESD的一个侧边突出的端部，所述堆叠CESD还包括导电材料，所述导电材料施加到所述堆叠CESD的两个或更多个侧边，以及与电极的从施加导电材料的侧边突出的端部相接触。
95.根据条款91-94中任一项所述的堆叠CESD，其中，所述电极包括具有弯曲曲线的导线或包括沿导线长度的周期性突起的导线。
96.根据条款95所述的堆叠CESD，其中：在层中的相邻电极被定向为使得相邻电极的弯曲曲线或周期性突起彼此同相；或者在层中的相邻电极被定向为使得相邻电极的弯曲曲线或周期性突起彼此异相180°。
97.根据条款91-96中任一项所述的CESD，其中，各电容元件具有固有电容，以及所述固有电容是通过施加在与电容元件相邻的两个电极之间的电压来改变的。
98.根据条款91-97中任一项所述的CESD，其中，各电极具有右圆柱形配置、椭圆形圆柱形配置、多边形圆柱形配置、球形配置或半球形配置。
99.根据条款98所述的CESD，其中，在相邻电极之间的中心轴到中心轴的间距在5nm至5mm的范围内。
100.根据条款91-99中任一项所述的CESD，其中，所述电极包括导电碳、导电有机材料、导电金属或半导体。
101.根据条款91-100中任一项所述的CESD，其中，各电极是阳极氧化的或涂覆有聚(对二甲苯)的。
102.根据条款91-101中任一项所述的CESD，其中，所述介电材料是具有大于3.9的相对介电常数的电熵介电材料。
103.根据条款102所述的CESD，其中，所述电熵介电材料包括多个聚合物分子。
104.根据条款103所述的CESD，其中，所述聚合物分子包括蛋白质、聚(对二甲苯)聚(马来酸)、丙烯酸聚合物、甲基丙烯酸聚合物、聚乙二醇、聚氨酯聚合物、环氧聚合物、硅氧烷聚合物、萜类聚合物、天然存在的树脂聚合物、多异氰酸酯或其组合。
105.根据条款103所述的CESD，其中，所述聚合物分子是聚(对二甲苯)、玉米醇溶蛋白、聚(马来酸)、虫胶、硅油或其组合。
106.根据条款102-105中任一项所述的CESD，其中，所述电熵介电材料还包括无机盐。
107.根据条款106所述的CESD，其中，所述无机盐包括IIA族金属离子、IIIA族金属离子或其组合。
108.一种制造根据条款91-107中任一项所述的堆叠电容储能设备(CESD)的方法，包括：形成嵌入介电材料内的电极阵列，在电极之间具有空间，所述电极阵列包括布置在n个堆叠平行平面中的n组平行电极，其中，n是大于或等于2的整数，各电极具有平行于堆叠平行平面的中心轴。
109.根据条款108所述的方法，其中，形成嵌入介电材料内的电极阵列包括：形成电极阵列；以及将介电材料设置在电极之间的空间中。
110.根据条款108所述的方法，其中，形成嵌入介电材料内的电极阵列包括：(a)在衬底上形成介电材料的第一层；(b)在介电材料中至少部分地嵌入第一组电极；(c)在第一层的顶上形成介电材料的后续层；(d)在后续层中至少部分地嵌入后续电极组，以及(e)重复步骤(c)和(d)，直到形成n个堆叠的平行层。
111.根据条款108所述的方法，其中，形成嵌入介电材料内的电极阵列包括：(a)在衬底上形成介电材料的第一层；(b)在介电材料的第一层的上表面中形成多个平行槽；(c)在第一层中的平行槽中的各平行槽中放置或形成电极，以形成第一组电极；(d)在第一层的顶上形成介电材料的后续层；(e)在介电材料的后续层的上表面中形成多个平行槽；(f)在后续层中的平行槽中的各平行槽中放置或形成电极，以形成后续电极组；(g)重复步骤(d)-(f)，直到形成n个堆叠的平行平面；以及(h)在第n个平行平面的顶上形成介电材料的上层。
112.根据条款107-111中任一项所述的方法，其中，所述CESD具有限定四个侧边的四边形配置，所述方法还包括将导电材料施加到至少两个相邻的侧边。
113.一种使用根据条款91-107中任一项所述的堆叠电容储能设备(CESD)的方法，包括：提供根据条款91-107中任一项所述的堆叠CESD；以及跨越设置在两个相邻电极之间的电容元件来施加电压，其中，所述电容元件是位于相邻电极之间的介电材料的区域，从而将所述电容元件充电到电压V1。
114.根据条款113所述的方法，其中，提供堆叠CESD包括：提供根据条款94所述的堆叠CESD，所述堆叠CESD具有施加到所述堆叠CESD的第一侧边的第一导电材料和施加到所述堆叠CESD的相邻侧边的第二导电材料，并且其中，两个相邻电极在所述堆叠CESD的相邻层中，所述方法还包括：向第一导电材料施加电压；以及将第二导电材料连接到VSS。
115.根据条款113所述的方法，其中，提供所述堆叠CESD包括：提供根据条款94所述的堆叠CESD，所述堆叠CESD具有施加到所述堆叠CESD的第一侧边的第一导电材料和施加到所述堆叠CESD的相对侧的第二导电材料，并且其中，两个相邻电极在所述堆叠CESD的单层中，所述方法还包括：向第一导电材料施加电压；以及将第二导电材料连接到VSS。
116.根据条款113-116中任一项所述的方法，还包括通过以下步骤从所述堆叠CESD向负载供应能量：提供包括所述堆叠CESD和连接到所述堆叠CESD的负载的电路，其中，将所述电容元件充电到电压V1；以及跨越电容元件来施加反向极化电势达一放电时间段，其中，所述反向极化电势小于电压V1以及小于由电容元件在高阻抗状态下将会生成的电压，从而从电容元件向负载供电。
117.根据条款116所述的方法，其中，跨越电容元件来施加反向极化电势包括：将第一导电材料和第二导电材料中的一者连接到负载；以及将第一导电材料和第二导电材料中的另一者连接到VSS。
鉴于所公开的发明的原理可以应用于许多可能的实施例，应该认识到，所示的实施例仅仅是本发明的优选示例，以及不应该被视为限制本发明的范围。而是，本发明的范围是通过以下权利要求来限定的。因此，我们要求所有在这些权利要求的范围和精神内的内容作为我们的发明。
Claims (30)
1.一种电容储能设备(CESD)，包括：
电极阵列，在电极之间具有空间，所述电极阵列包括在一个或多个平面中的n组电极，其中，n是大于或等于2的整数；以及
介电材料，其占据在电极之间的所述空间以及与电极接触，其中，位于相邻电极之间的所述介电材料的区域限定电容元件。
2.根据权利要求1所述的CESD，其中，所述电极阵列包括n组间隔开的平行电极，形成平行电极的n个堆叠平行平面，各电极具有平行于电极所在平面的中心轴。
3.根据权利要求2所述的CESD，其中，在各平面中的平行电极是相对于在各相邻平面中的平行电极旋转0-90°的。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的CESD，其中，所述CESD具有限定四个侧边的四边形配置，以及各电极具有从所述CESD的一个侧边突出的端部，所述CESD还包括导电材料，所述导电材料施加到所述CESD的两个或更多个侧边，以及与电极的从所述导电材料被施加到的侧边突出的所述端部相接触。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的CESD，其中，所述电极包括具有弯曲曲线的导线或包括沿导线的长度的周期性突起的导线，其中，(i)在平面中的相邻电极被定向为使得相邻电极的弯曲曲线或周期性突起彼此同相；或者(ii)在平面中的相邻电极被定向为使得相邻电极的弯曲曲线或周期性突起彼此异相180°。
6.根据权利要求1所述的CESD，其中，各电极具有垂直于所述平面的中心轴AC，所述CESD还包括：针对各组电极的电互连，各电互连串行地连接组中的电极。
7.根据权利要求6所述的CESD，其中：
所述阵列包括对准的电极行，使得在一行中的各电极的中心轴与在相邻行中的电极的中心轴对准，各行构成一组电极；或者
所述阵列包括交错的电极行，使得在一行中的各电极的中心轴不与在相邻行中的电极的中心轴对准，各行构成一组电极。
8.根据权利要求1所述的CESD，其中：
所述阵列包括交错的电极行，使得在一行中的各电极的中心轴不与在相邻行中的电极的中心轴对准；
各行还包括串行地连接在行中的一组交替电极的行电互连；以及
未通过所述行电互连来连接的交错电极组是通过列电互连来成列连接的，所述列电互连从交错电极的中心轴偏移，其中，在行电互连与列电互连交叉的各交叉点处，存在垂直空间分离。
9.根据权利要求1所述的CESD，其中：
所述阵列包括电极的行和列的网格图案，其中，各行包括与多个列组中的电极交替的行组中的电极；
各行组还包括串行地连接所述行组中的各电极的行电互连；以及
各列组还包括串行地连接所述列组中的各电极的列电互连，其中，在行电互连与列电互连交叉的各交叉点处，存在垂直空间分离。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的CESD，还包括：
绝缘层，其设置在所述行电互连与所述列电互连之间，使得所述行电互连在所述绝缘层上方，以及所述列电互连在所述绝缘层下方；以及
通孔，其由所述绝缘层针对所述行组中的各电极来限定的，所述通孔将电极连接到所述行电互连。
11.根据权利要求1所述的CESD，其中，所述电极阵列包括单位晶格，所述单位晶格包括：
多个电极，其至少形成多边形的形状，在所述多边形的各顶点处具有一电极；
多个电互连，其数量等于在所述单位晶格中的电极的数量，各电互连连接到在所述单位晶格中的单个电极，其中，在两个或更多个电互连的各交叉点处存在垂直空间分离；
绝缘层，其设置在交叉的电互连之间；以及
通孔，其由所述绝缘层限定以将在所述绝缘层上方的电互连连接到在所述电互连和所述绝缘层下方的电极。
12.根据权利要求11所述的CESD，还包括所述单位晶格的阵列，其中，在两个或更多个单位晶格中的相应位置的共线电极是串行地通过电互连来连接的。
13.根据权利要求12所述的CESD，其中：
所述多边形是六边形；
所述单位晶格还包括在所述六边形的中心的电极；以及
所述单位晶格是在行中交错的，使得六边形的中心与在相邻行中的各相邻行中的六边形的边缘对准。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的CESD，其中，在相邻电极之间的中心轴到中心轴的间距在5nm至5mm的范围内。
15.一种电容储能设备(CESD)，包括：
第一电极；
第二电极，其以螺旋配置缠绕在所述第一电极周围，其中，在所述第一电极与所述第二电极之间存在空间；以及
介电材料，其占据在所述第一电极与所述第二电极之间的空间以及与所述第一电极和所述第二电极相接触，其中，位于电极之间的所述介电材料的区域限定电容元件。
16.根据权利要求15所述的CESD，还包括第三电极，所述第三电极具有围绕所述第一电极和所述第二电极的管状配置，其中，在所述第三管状电极与所述第二电极之间存在空间，所述空间填充有所述介电材料。
17.一种电容储能设备(CESD)，包括：
第一电极；
第二电极，其平行于所述第一电极以及与所述第一电极间隔开，从而在所述第一电极与所述第二电极之间形成空间；以及
介电材料和导电材料的交替层的堆叠布置，其是平行于所述第一电极和所述第二电极设置的以及占据在所述第一电极与所述第二电极之间的所述空间，其中，所述堆叠布置包括
x层的介电材料，其中，(i)x是大于或等于2的整数，(ii)介电材料的第一层是与所述第一电极直接接触，以及(iii)介电材料的层x与所述第二电极直接接触，所述介电材料中的各层具有在从0.0005μm至10000μm的范围内的厚度；以及
y层的导电材料，其中，y＝x-1，以及导电材料的层是位于所述介电材料中的各对相邻层之间的，所述导电材料中的各层具有在从0.0005μm至10000μm的范围内的厚度。
18.根据权利要求17所述的CESD，其中：
所述第一电极具有圆柱形配置、面向内的表面、面向外的表面以及外径；
所述第二电极具有圆柱形配置、面向内的表面、面向外的表面以及内径，所述内径大于所述第一电极的所述外径；以及
所述堆叠布置是设置在所述介电材料和所述导电材料的同心交替层中的所述第一电极的面向外的表面与所述第二电极的面向内的表面之间的。
19.一种电容储能设备(CESD)，包括：
两个或更多个电极，其是以共螺旋布置来设置的，在电极之间具有空间，其中，所述两个或更多个电极不彼此相交；以及
介电材料，其占据在电极之间的空间以及与电极相接触。
20.根据权利要求1-19中任一项所述的CESD，其中，所述介电材料是具有大于3.9的相对介电常数的电熵介电材料，所述电熵介电材料包含多个聚合物分子。
21.一种用于制造根据权利要求1-14中任一项所述的电容储能设备(CESD)的方法，包括：
形成至少部分地嵌入介电材料内或与介电材料相接触的电极阵列，在电极之间具有空间，所述电极阵列包括布置在一个或多个平面中的n组电极，其中，n是大于或等于2的整数。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，形成至少部分地嵌入所述介电材料中或与所述介电材料相接触的所述电极阵列还包括：
(i)形成所述电极阵列，以及将所述介电材料设置在电极之间的空间中；或者
(ii)形成介电材料层，以及至少部分地将电极嵌入所述介电材料中，或者将电极放置为与所述介电材料相接触以形成所述电极阵列。
23.根据权利要求21或权利要求22所述的方法，其中，各电极具有垂直于所述平面的中心轴，所述方法还包括将各组中的电极串行地与电互连连接，从而形成所述CESD。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，各电极具有平行于所述一个或多个平面的中心轴，以及形成嵌入所述介电材料内的所述电极阵列包括：
(i)(a)在衬底上形成介电材料的第一层，
(b)在所述介电材料中至少部分地嵌入第一组电极，
(c)在所述第一层的顶上形成所述介电材料的后续层，
(d)在所述后续层中至少部分地嵌入后续电极组，以及
(e)重复步骤(c)和(d)，直到形成n个堆叠的平行层；或者
(ii)(a)在衬底上形成介电材料的第一层，
(b)在所述介电材料的所述第一层的上表面中形成多个平行槽，
(c)在所述第一层中的平行槽中的各平行槽中放置或形成电极，
以形成第一组电极，
(d)在所述第一层的顶上形成所述介电材料的后续层，
(e)在所述介电材料的所述后续层的上表面中形成多个平行槽，
(f)在所述后续层中的平行槽中的各平行槽中放置或形成电极，
以形成后续电极组，
(g)重复步骤(d)-(f)，直到形成n个堆叠的平行平面，以及
(h)在第n个平行平面的顶上形成介电材料的上层。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述CESD具有限定四个侧边的四边形配置，所述方法还包括将导电材料施加到至少两个相邻的侧边。
26.一种用于制造根据权利要求17或权利要求18所述的电容储能设备(CESD)的方法，所述方法包括：
(a)提供第一电极；
(b)通过以下步骤来形成介电材料和导电材料的交替层的堆叠布置：
(i)将介电材料的层施加到所述第一电极的表面，
(ii)将导电材料的层施加到所述介电材料的层，
(iii)将所述介电材料的后续层施加到所述导电材料的层，以及
(iv)继续地重复步骤(ii)和(iii)，以提供所述介电材料和所述导电材料的额外交替层，所述额外交替层以所述介电材料的层终止，使得所述堆叠布置包括x层的所述介电材料与y层的所述导电材料交替，其中，x是大于或等于2的整数以及y＝x-1；以及
(c)施加与所述堆叠布置的最外层相接触的第二电极。
27.一种用于使用根据权利要求1-20中任一项所述的电容储能设备(CESD)的方法，包括：
提供根据权利要求1-20中任一项所述的CESD；以及
跨越设置在两个相邻电极之间的电容元件来施加电压，其中，所述电容元件是位于相邻电极之间的所述介电材料的区域，从而将所述电容元件充电到电压V1。
28.根据权利要求27所述的方法，还包括通过以下步骤从所述CESD向负载供应能量：
提供包括所述CESD和连接到所述CESD的负载的电路，其中，所述电容元件是充电到所述电压V1的；以及
跨越所述电容元件来施加反向极化电势达一放电时间段，其中，所述反向极化电势小于所述电压V1以及小于由所述电容元件在高阻抗状态下将会生成的电压，从而从所述电容元件向所述负载供电。
29.一种使用存储设备的方法，包括：
提供包括根据权利要求1或6-14中任一项所述的电容储能设备(CESD)的存储设备；以及
通过跨越设置在第一组电极中的电极与第二组电极中的相邻电极之间的电容元件施加电压，来写入所述存储设备，其中，所述电容元件是位于所述第一组中的电极与所述第二组中的相邻电极之间的所述介电材料的区域，从而将所述电容元件充电到电压V1。
30.一种刷新存储设备的方法，包括：
提供根据权利要求1或6-14中任一项所述的电容储能设备(CESD)；
将在所述CESD中的电容元件充电到电压V1，其中，所述电压V1至少部分地由于随时间的泄漏而放电；
随后确定所述电容元件的电容C；
基于所述电容C来确定所述电压V1；以及
将所述电容元件再充电到所述电压V1。
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