CN113168932A - 利用真空或气体进行电绝缘的电介质结构 - Google Patents

利用真空或气体进行电绝缘的电介质结构 Download PDF

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Abstract

在实施例中，一种电介质结构包括结合多个真空或气体区域的固体电介质区域。在某些实施例中，固体电介质区域的介电常数的介电常数大于4。在某些实施例中，该多个真空或气体区域或这些固体电介质区域中的每一个是各向异性的，其中纵横比至少为四。在某些实施例中，多个真空或气体和/或固体电介质区域的最小平均尺寸的长度小于1微米。在某些实施例中，该电介质结构在这些真空或气体区域中具有比在固体基质中更高的电能密度。在某些实施例中，电容性结构的一个或多个电极涂覆有固体绝缘层，而在真空或气体区域与电极之间没有界面。

Description

利用真空或气体进行电绝缘的电介质结构
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年9月19日提交的名称为“CAPACITIVE STRUCTURES FOR HIGHELECTRICAL ENERGY DENSITY[高电能密度的电容性结构]”的当前未决的美国临时专利申请序列号62/733,174的优先权，该临时专利申请的全部披露内容通过援引并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及用于电绝缘的复合材料，包括用于电容器、电路衬底、传输线和电缆、半导体器件等的电介质。
背景技术
电介质提供电绝缘，以防止不期望的电流在电气设备中流动，该电气设备包括电容器、传输线、电路衬底、半导体器件、机械支撑件和其他应用。电介质限于处于或低于其介电强度的电场——即电介质无法防止电流在可接受电平以下流动的电场电平下操作。电介质可以可靠地进行操作的最大电场取决于施加的电压、电介质的厚度、系统中导体与电介质的空间关系、以及其他因素。由于介电强度受到材料性质、制造质量和操作条件的限制，因此常常必须增加电介质的厚度来实现更高的电压下的操作。随着为了支持更高电压操作的电介质的厚度的增加，如电容器和传输线等器件的大小也增加。在电容器的情况下，增加电介质厚度会减小电容密度(定义为每单位面积的电容)，并且因此需要更大的电容器面积来获得与结合更薄电介质的电容器等效的总电容。增加电介质的厚度和面积两者所需的附加材料导致电介质和整个器件的体积和重量变得更大。由于电容器和结合电介质的其他电气装置的许多应用将受益于更小和/或更轻的部件，因此需要能够在更高电场下进行操作的材料来减小结合电介质的部件的大小和重量。电能密度(定义为每单位体积或每单位质量储存在电介质中的能量)通常用作用于基于电介质的材料性质评估电介质的大小和/或重量的度量。通过增加电介质的电能密度，常常可以使结合该电介质的部件更小并且更轻。
可以通过以下等式计算具有相对电容率的介质的电能密度We[J/m3]，该相对电容率通常被称为电场E[V/m]中的介电常数εr。自由空间的电容率ε0[F/m]为大约8.85×10-12F/m。
Figure BDA0003069445430000021
电能密度与电场的平方成比例，并且与介电常数成线性关系。因此，增加由介质的介电强度和/或介电常数(其取决于电介质介质，并且常常是操作温度、频率和电场的函数)限制的操作电场将增加电能密度。尽管用于增加电能密度的许多努力试图增加介电常数和介电强度，并且从而增加操作电场，但是由于平方项，增加电介质介质的介电强度以增加操作电场可能在电能密度方面提供更多的显著增益。
静电电容器将能量储存在电场中。这里使用的术语静电电容器旨在与双电层电容器区分，并且应理解为包括利用交流电(AC)或瞬态信号以及直流电(DC)使用的装置。尽管电容器通常使用电介质来分隔电容器的正电荷和负电荷，但是常常被称为超级电容器或超电容器的双电层电容器通常不具有分隔电荷的电介质。相反，导电的电解质和电极直接接触，并且电荷不会跨界面转移，除非施加的电压高于几伏的阈值电压。因此，尽管双电层电容器的电容密度和能量密度通常大于静电电容器的电容密度和能量密度，但是双电层电容器的电压受到限制。尽管可以将双电层电容器串联布置以创建具有更高操作电压的组件，但是串联堆叠中的每个双电层电容器的电容必须大约等于跨组件中的每个元件均匀地分布电压，或者必须使用附加电压控制硬件来防止任何单独的电容器在过高电压下操作。因此，双电层电容器不适合在许多高电压应用中提供高能量密度。
能够在比双电层电容器(即，静电电容器)更高的电压下操作的电容器通常具有比双电层电容器更低的电容密度和能量密度。需要在静电电容器领域中进行改进以增加能量密度和功率密度，同时维持或改善电容密度，并且因此需要对静电电容器中的电介质进行改进。存在与也可以使用新的电介质材料进行改进的静电电容器和其他应用的电介质有关的若干个其他重要性能因素。首先，许多电介质应用既需要能够承受高温和低温极端条件、温度周期变化，又需要能够满足介电性质相对于温度的变化很小。其次，相对于电介质中施加的电压/操作电场或其他操作或环境因素，使介电性质的变化最小常常也是至关重要的。例如，为了保持在某些应用的规格内，电容器电介质在电压、频率和使用温度范围内的变化不得超过其标准值的预定百分比。由于介电常数对这些参数的依赖性，由于电压/电场、频率和温度的影响，固体和液体电介质的变化可能很大。具有高介电常数的常规电介质，如铁电体，常常与环境变量和操作变量有很大的差异。在电容器的情况下，电容和额定电压相对于温度和施加电压的稳定性将极大地扩展具有高能量密度储存能力的电容器的适用性。第三，许多AC和射频(RF)应用要求低介电损耗，以在高频率下高效地操作。一些电容器和电缆利用低损耗电介质进行操作，这些低损耗电介质基于利用低介电常数聚合物(例如εr<4的聚乙烯或聚丙烯)或仅仅以气体或真空作为电绝缘体所产生的泡沫。然而，这些低损耗电介质由于其实施方式而具有较差的介电强度，从而限制了其在用于高能量和功率密度的高电场操作的器件中的使用。第四，许多应用需要提高可靠性，这通常需要相对于电介质的最大能力而使操作条件(例如，电容器的电介质中的操作电场)降额以实现长的操作寿命。可以使具有较高介电强度的电介质以较大的降额因数进行操作，从而增加使用寿命和可靠性，同时可以使其在与其他电介质的电场相同电场下以较低的降额因数进行操作。第五，为了实现在非常高的电场下的操作，已经开发了通常由聚合物膜电介质制成的膜电容器，这些膜电容器具有在电介质内发生一个或多个故障事件后进行操作的能力。通常被称为自清除或自修复的这种能力实现在电介质最弱点的限制之外的操作，其中材料缺陷或污染会以其他方式导致整个装置过早故障。通过使用非常薄的电极和适当的电介质，都可以实现该自清除或自修复性质。电介质材料是确定自清除或自修复能力的关键因素，并且已发现一些电介质与用于自清除的方法不兼容。由于本领域中已知的电介质的已知缺点，需要一种用于电介质材料的新颖方法来满足在操作条件范围内对电介质的许多要求。
高能量密度电容器的材料-常规的高能量密度电容器基于聚合物、陶瓷或聚合物和陶瓷的复合材料的固体电介质。在一些情况下，除了固体电介质外，还使用液体电介质，如绝缘油。近几十年来，已经做出了显著的努力来使用于高能量密度电容器的薄膜聚合物制造成熟。双轴定向聚丙烯(BOPP)可以以厚度在微米量级的膜形式商购获得，这些膜可以在300MV/m量级的场强度下操作。这些薄膜聚合物通常在实践中使用，并且当使用自修复电极制成时能量密度特别高，这些自修复电极能够通过电极在故障点周围的汽化以及故障处的电流激增来隔离电介质中的故障点。这些基于聚合物的薄膜由于聚合物的性质而限制在操作温度范围内。具体地，聚合物将在高温下软化或以其他方式降解，使得介电强度和能量密度降低。聚合物性质还取决于玻璃转变温度，这可能影响低温性能。具有较高操作温度的其他丙烯酸基聚合物已经以小于1um的厚度商业化。尽管小厚度和不同的聚合物化学是来自其他聚合物电容器技术的改进，但该技术已达到其极限，对于亚微米聚合物厚度，其操作展示了接近1,000MV/m。
用于实现高电容性能量密度的其他方法使用高介电常数材料。如聚偏二氟乙烯(PVDF)和具有极性基团的其他聚合物等一些聚合物的介电常数可以大于10。然而，这些极性聚合物的介电强度通常远低于先前讨论的BOPP和丙烯酸基薄膜聚合物。极性基团还会在AC信号下造成显著损耗，这使其不适用于许多应用。介电常数范围多达几千的陶瓷材料用于电容器中。介电常数最高的陶瓷是铁电体，如钛酸钡和钛酸锶。尽管这些陶瓷具有许多应用，但由于铁电饱和，其在高能量密度电容器中的使用受到限制，这会导致介电常数随电压的增加而大大降低。这些钙钛矿陶瓷在RF频率下也展现了高介电损耗，并且相对于温度可能会具有显著的性质变化。其他陶瓷也应用于高能量密度电容器中。铝电解电容器在高达800MV/m的电场下操作氧化铝电介质层。尽管操作场和能量密度通常较低，但在介电常数为大约10的情况下，800MV/m的场强度对应于28.3J/cm3。介电常数为25的钽电容器也用于高能量密度应用中，但通常在场强度低于氧化铝的情况下使用。尽管这些陶瓷处于可商购获得的电容器的现有技术状态，但是能量密度增加的机会受到限制，因为这些陶瓷已经在接近其理论击穿极限(三角形氧化铝为1.38GV/m，立方体氧化钽为370MV/m)下进行操作。高能量密度电容器的另一个活动工作区是聚合物-陶瓷复合材料。聚合物基质中的这些陶瓷颗粒复合材料通常展现了比未加载的聚合物更高的介电常数，以及比复合材料的相同厚度的陶瓷更高的介电强度。然而，由于介电强度常常由聚合物的介电强度确定，因此聚合物-陶瓷复合方法对聚合物多层电容器几乎没有优势，在这些聚合物多层电容器中，与丙烯酸基聚合物多层电容器一样，聚合物层处于亚微米级。
发明内容
本发明的实施例包括新颖的结构和组件，用于实现在电气上等同于本发明的结构中的真空的真空和气体中的高电能密度操作。尽管真空的介电常数是1并且气体的介电常数仅略大于一，但是本发明的实施例呈现了一种实现比具有更高介电常数的常规电介质中可用的更高的电能密度的手段。这是通过设计固体-真空或固体-气复合结构来完成的，这些结构解决多种击穿机制，同时还将电场集中在结构的真空或真空等效气体部分中。本发明材料的附加益处是在低温和高温极端条件下的操作、用于在给定电场下操作的更大降额因数、自修复或自清除能力以及介电性质和能量密度相对于温度、施加的电压和频率的低依赖性。
在一方面，一种制品可以包括电介质结构。该电介质结构包括介电常数大于四的至少一种固体材料的一个或多个区域以及多个真空或气体区域。该一个或多个固体材料区域中的至少一个区域具有第一平均颗粒尺寸(dmaj)和第二平均颗粒尺寸(dmin)。此外，至少一个真空或气体区域具有第一平均颗粒尺寸(d’maj)和第二平均颗粒尺寸(d’min)。该至少一个固体材料区域的dmaj与dmin的纵横比等于或大于四，和/或该至少一个真空或气体区域的d’maj与d’min的纵横比等于或大于四。该多个真空或气体区域遍布至少一种固体材料的该一个或多个区域分散，使得在向该电介质结构施加电场时，至少一种固体材料的该一个或多个区域中的平均电场小于该多个真空或气体区域中的平均电场。
在以下描述的过程中，将出现本发明的其他和另外的目的，以及与之相关的新颖性特征。
附图说明
在形成说明书的一部分并且要与之结合一起阅读的附图中，在各视图中，相同的附图标记用于表示相同或相似的部分：
图1和图2是根据本发明的实施例的电场中真空或气体中的电能密度的绘图；
图3是根据本发明的一个实施例的电容性结构的截面，该电容性结构包括两个电极之间的固体和真空或气体的交替层的电介质；
图4是根据本发明的一个实施例的图3的电容性结构的透视图，其示出了与电介质厚度相比较大的长度和宽度尺寸；
图5是根据本发明的一个实施例的沿垂直于图3的电容性结构的电极的线施加的电场的绝对值的绘图；
图6是根据本发明的一个实施例的沿垂直于图3的电容性结构的电极的线的电能密度的绝对值的绘图；
图7是根据本发明的一个实施例的图3的电容性结构的真空中或气体中储存的总能量与固体绝缘物中储存的总能量之比的绘图；
图8是根据本发明的一个实施例的包括电介质结构的单个孔或颗粒的扁球体的截面和其与施加的电场的关系的图；
图9是根据本发明的一个实施例的在固体基质内呈面心立方布置的扁球体的真空或气体孔的透视图；
图10是根据本发明的一个实施例的图9的固体基质内的扁球体的截面视图；
图11是根据本发明的一个实施例的固体基质中的真空或气体孔的扁球体的复合结构在图10的二维截面上的电场的绝对值的绘图；
图12至图14是根据本发明的实施例的沿垂直于来自图11的绘图的电极的轴线的电场的绘图；
图15是根据本发明的一个实施例的固体基质中的真空或气体孔的扁球体的复合结构在图10的二维截面上的电能密度的绘图；
图16至图18是根据本发明的实施例的沿垂直于来自图15的绘图的电极的轴线的电能密度的绘图；
图19是根据本发明的一个实施例的真空或气体基质中的固体颗粒的扁球体的复合结构的截面视图；
图20是根据本发明的一个实施例的真空或气体基质中的固体颗粒的扁球体的复合结构在图19的二维截面上的电场的绝对值的绘图；
图21至图23是根据本发明的实施例的沿垂直于来自图19的绘图的电极的轴线的电场的绘图；
图24是根据本发明的一个实施例的真空或气体基质中的固体颗粒的扁球体的复合结构在图19的二维截面上的电能密度的绘图；
图25至图27是根据本发明的实施例的沿垂直于来自图19的绘图的电极的轴线的电能密度的绘图；
图28是根据本发明的一个实施例的沉积在铝箔上的电容器层的示例结构的图；以及
图29是根据本发明的一个实施例的构建在支撑结构上的分层电容器结构的图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明，在附图中，相同的附图标记始终指示相同的部分。出于清楚地展示本发明的特性的目的，元件的比例关系在附图中不一定必须维持。将理解的是，附图中包括的任何尺寸仅以示例的形式提供，并且其中所提供的尺寸以外的尺寸也在本发明的范围内。
本发明的以下详细描述参考了可以实践本发明的具体实施例。实施例旨在充分详细地描述本发明的各方面，以使本领域技术人员能够实践本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以作出改变。本发明由所附权利要求限定，并且因此，本说明书不应被认为是限制性的，并且不应限制这些权利要求所赋予的等效物的范围。
本发明的实施例包括新颖的结构和组件，用于实现在电气上等同于本发明的结构中的真空的真空和气体中的高电能密度操作。尽管真空的介电常数是1并且气体的介电常数仅略大于一，但是本发明的实施例呈现了一种实现比具有更高介电常数的常规电介质中可用的更高的电能密度的手段。这是通过设计固体-真空或固体-气复合结构来完成的，这些结构解决多种击穿机制，同时还将电场集中在结构的真空或真空等效气体部分中。本发明材料的附加益处是在低温和高温极端条件下的操作、用于在给定电场下操作的更大降额因数、自修复或自清除能力以及介电性质和能量密度相对于温度、施加的电压和频率的低依赖性。
高电能密度所需的电场电平-介质的电能密度取决于介电常数和操作电场两者，如先前所描述的。对于真空，介电常数或相对电容率为1。对于气体，介电常数对密度有轻微的依赖性，但实际上为1。因此，为了在真空或气体下实现高电能密度，电场必须高于常规液体或固体电介质所使用的那些电场。
图1是高达4.75吉伏特/米(GV/m)的电场中真空或气体的电能密度的绘图(GV/m为1×109伏/米(V/m)或1伏/纳米(V/nm))。在1GV/m处，电能密度为4.43焦耳/立方厘米(J/cm3)。该能量密度高于大多数封装装置，但低于当前可用的高能量密度电容器的电介质内的能量密度。当将电场增加到2GV/m时，电能密度为17.7J/cm3。该能量密度可与在约625MV/m的场强度下进行操作的高能量密度铝电解电容器中的氧化铝膜内的能量密度相比较。在2.6GV/m处，真空或气体电介质可以在29.9J/cm3的密度下储存能量。这高于在800MV/m(其被引用为高能量密度铝电解电容器(28.3J/cm3)中氧化铝的最大场)下进行操作的氧化铝电介质。当高于2.9GV/m进行操作时，真空或气体的电能密度优于所有其他已知的电介质。如图1所示，电能密度迅速增加，使得真空或气体中的4.75GV/m的操作场储存将近100J/cm3。
图2是高达10GV/m的电场中的真空或气体中的电能密度的绘图。该绘图展示了真空或气体电介质在小于10GV/m的电场下每立方厘米有可能储存数百焦耳。尽管实现该量级的场强度具有挑战，但应注意的是，这些场强度比基本施温格极限(Schwinger limit)要小几个数量级。
真空中电场的基本极限-尽管如固体和液体等常规电介质具有其与破坏形成这些材料的键所需的能量有关的介电强度极限，但真空却没有可比的限制。为了考虑对可能仅在真空内存在的电场的基本极限，应忽略电容性布置的阳极和阴极以及任何支撑材料的影响。在经典的量子电动力学中，最大电场已作为由于产生电子-正电子对而使场变为非线性的电场得到。非线性之前的最大场(常常被称为施温格极限)已得到为大约1.32×1018V/m。该场强度比常规电介质中实现的那些场强度(例如，氧化铝中的约1×108到1×109)以及超出使用真空或气体作为电介质的现有技术的能量密度所需的那些场强度(例如，1×109到1×1010)高几个数量级。因此，真空击穿的基本极限不是对实现比现有技术中可获得的那些能量密度更高的能量密度的限制。必须采取适当的设计来解决真空间隙中击穿的原因，以实现高能量密度。
真空击穿和帕邢曲线(Paschen Curve)-由于常规装置结构中发生的击穿机制，真空或气体先前尚未用于高电能密度储存。真空击穿常常由帕邢曲线描述，该曲线绘制了击穿时的电压与气体压力和电极间隙距离乘积。帕邢曲线的独特方面是其具有最小击穿电压，并且对于较大的压力和距离乘积以及较小的压力和距离乘积，击穿电压都会增加。在帕邢最小值的右侧，可以在多种情况下理解增加的击穿电压。如果电极距离增加，则对于给定电压，间隙中的平均电场会减小。必须增加电压以实现较大间隙距离的击穿。对于恒定间隙间距，增加气体压力会导致电子中性碰撞之间的平均自由程减小。当自由电子在电场中加速时，其在碰撞发生之前达到较低的峰值能量。如果电子的峰值能量低于使原子或分子电离所需的能量，则不会发生电子雪崩。必须增加间隙中的电压并且因此增加电场，以使电子能够获得足够的能量来使附加原子电离以产生雪崩击穿。
对于小于帕邢最小值的压力和距离乘积，导致击穿所需的增加的电压可以通过不同的机制来描述。在非常低的压力下，由于碰撞的平均自由程大于电极之间的距离，因此雪崩过程不会发展为电弧放电。压力和距离乘积的值小于帕邢最小值处的帕邢曲线常常显示为增加到非常高的击穿电压。然而，用于产生那些曲线的数据常常是通过使间隙距离保持相对较大(即，在1mm的量级)并且减小气体压力以实现非常低的压力和距离乘积而生成的。如帕邢曲线所示，在非常小的距离处，其他影响可能会占主导，从而限制了击穿电压的增加。
偏离帕邢曲线-电子从阴极进行的场发射将电子源提供到间隙中。当在间隙中发生极少的或没有发生电子与原子或分子的碰撞时，电子会加速直到其撞击阳极。电子从阴极转移到阳极会产生泄漏电流。尽管从操作的角度来看，仅泄漏电流可以是可接受的，但该泄漏电流可能导致间隙的较大放电，这会造成电介质故障。这些故障的发生可能有多种原因，并且关于在不同条件下的机制存在科学辩论。场发射可以局限于电极的很小区域，在该区域中高电流密度会导致发热。爆炸发射描述了场发射位点的突然破裂，将固体、液体和/或气体材料喷射到间隙中。这些喷射的材料可能会在间隙中存在时导致放电，或者会沉降到阳极或阴极上，从而从其原始结构改变间隙并且损害其耐受电压的能力。场发射导致故障的第二种机制是由于加速电子的高能冲击而对阳极产生的影响。电子会导致气体从阳极解吸，从而导致间隙中的压力增加并且降低击穿电压。高能电子也可能导致阳极材料的喷射。当由阳极释放的离子跨间隙加速并且撞击阴极时，附加电子或材料会喷射到间隙中。该过程可以沉淀到放电点和/或降低间隙的击穿电压。这些影响将真空和气体电容器限制到相对低的操作电压和电场，并且因此与使用液体和/或固体电介质的其他技术相比，能量密度较低。
在真空或气体中实现大于1GV/m的电场强度-先前已经描述了，GV/m(V/nm)量级的电场电平是真空或气体的能量密度与固体电介质相当并超过固体电介质所必需的。在GV/m(V/nm)量级的电场强度下，处于负电势的电极将朝向阳极发射电子。电子的该场发射最初可能只导致小的泄漏电流。然而，场致发射电子可能导致真空或气体电介质的击穿，如帕邢曲线的上下文中所讨论的。电子与气体分子的高能碰撞可能导致电离，进而发生汤森德型(Townsend-type)放电。另外地，如果场发射继续或达到阈值，则阴极处的爆炸性发射或阳极材料侵蚀到真空间隙中可能会导致击穿。因此，为了在大于1GV/m的场强度下可靠地操作真空或气体电介质，与高能量密度操作一致，必须将场发射最小化。
在本发明的实施例中，场发射受到涂覆在一个或多个电极上的固体绝缘层的限制。与存在于具有真空或气体的界面的电极上的场相比，电极界面处的电场强度被一个或多个电极上的固体绝缘层降低了。电极表面处的电场的这种降低可以减少或防止电子场发射到真空或气体区域中，从而减少电介质结构内电荷的积聚并且增加电介质结构的介电强度。具有单极偏置的装置(如DC链接电容器)的阴极例如可以涂覆有绝缘层，以防止电子发射。在双极型装置中，如果电极处的场电平达到发生电子场发射的GV/m量级，则所有电极都可以涂覆有绝缘层。
在一些实施例中，绝缘层是固体电介质，但是在一些实施例中也可以是液体电介质。在两种情况下，电介质的介电强度均高于电极表面处的操作场电平。由于固体或液体的介电常数和导电率将高于真空或气体，因此将通过引入一个或多个绝缘层来重新分布电场。如本文更详细地描述的，该重新分布导致电场在固体或液体层中较低，并且在真空或气体中较高。真空或气体中的电场的该浓度除了限制场发射之外，还有利于在较高的电压下操作结构。
绝缘涂层可以采取多种形式，但是优选形成为使得其直接与(多个)电极结合。在一些优选实施例中，绝缘层通过电极的氧化或阳极氧化或其他化学反应形成。当电极由铝、钛、铪、铌、钽、硅或其组合构成时，可以容易地形成金属氧化物绝缘层。如碳、镍、银、金或其组合等这些和其他电极材料也可以通过化学或物理沉积与绝缘层邻接。其他潜在的绝缘层包括但不限于金刚石、氮化硼、氮化铝、氮化硅或其组合。随着真空或气体中电场的浓度随绝缘层的介电常数的增加而增加，在绝缘层的介电强度和导电率等效的情况下，较高的介电常数是优选的。由于进一步增加绝缘层的介电常数会减小收益，因此在优选实施例中，使用氧化铝、金刚石、氮化铝或其组合作为绝缘层，选择为9或10的介电常数。因此，固体或绝缘层可以选自氧化铝、金刚石、氧化钽、二氧化铪、氧化铌、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅、氮化铝、氮化硼或其组合中的至少一种。
在实施例中，由于绝缘层内的能量密度低于真空或气体中的能量密度，因此使绝缘涂层的厚度被最小化。然而，该厚度足够大以防止隧穿或可能导致电子发射到真空或气体中的其他现象。绝缘涂层的厚度优选小于电介质结构的总厚度的10％。
电极上的(多个)绝缘涂层旨在限制场发射。然而，很可能在真空或气体中仍会存在一些自由电子，这些自由电子会被电场加速。这些电子可能是由于没有被(多个)绝缘涂层完全消除的场发射、宇宙辐射或类似高能颗粒轰击造成的间隙内的电离、绝缘层的表面积聚的空间电荷的部分放电以及其他机制而存在的。在实施例中，为了解决由于电子雪崩或来自这些自由电子的二次发射引起的击穿的可能性，真空或等效气体区域的间隙间距在平行于电场的方向上较小。
在任何不理想的真空中，中性气体颗粒会存在于未被电极或固体绝缘物占据的体积中。这些自由电子可以获得的能量足以引起电离、发热以及通过与气体分子、阳极或固体绝缘层发生碰撞而使结构的绝缘性质退化的其他效应。考虑到与气体分子的碰撞，由真空或气体体积中存在的高电场加速的自由电子在碰撞时会激发或电离气体分子。由于这些碰撞而导致的自由电子数量的增加可能导致作为电绝缘体的结构故障。替代性地，一个或多个电子与阳极的高能碰撞可能引起电子、离子或阳极材料的喷射，并且使材料从阳极解吸。从阳极引入这些电子、离子或其他材料可能改变结构或结构中的电场分布，从而导致该结构作为绝缘体的退化或故障。如果在真空或气体区域与阳极之间存在另一个固体绝缘体，则高能电子有可能与固体绝缘体碰撞。绝缘体上空间电荷的积聚可能改变绝缘体中的电场，并且可能导致老化。如果电子具有足够的能量，则多于一个二次电子可能由于初始电子对绝缘体的撞击而发射。应避免自由电子数量的增加，以防止空间电荷的附加积聚和结构中电场分布的修改。高能碰撞还可能导致固体绝缘层发热、空间电荷积聚和其他损害效应。因此，该结构被设计成限制由自由电子在与气体分子、阳极或固体绝缘层碰撞之前获得的能量。
为了使电子与气体分子、阳极和固体绝缘层的高能碰撞最小化，在一些实施例中，沿平行于所施加电场的轴线的真空或气体间隙距离受到以下因素的限制。为了使高能电子对气体分子的电离最小化，在实施例中，间隙距离与平均自由程相同数量级或更小。气体中的电子平均自由程取决于若干个因素，包括气体种类、气体压力、电子能量以及碰撞所得的截面。在大气压下，平均自由程为微米量级。随着气体压力的降低，平均自由程可以增加到许多米。然而，由于本发明的优选实施例中的任何单个真空或气体间隙沿与施加的电场平行的轴线的尺寸小于1微米，因此常常不必将压力降低到大气压以下以防止电子与气体分子之间的电离碰撞。由于自由电子与气体分子之间碰撞的可能性低，因此从这些小尺度的自由电子的角度来看，大气压和低压下的气体实际上是真空的。由于从自由电子的角度来看，真空与气体之间的这种等效性，真空、部分真空或气体被共同且可互换地用于指绝缘结构的非固体组分。在本发明的一些实施例中，可以降低气体压力以实现密封装置的高温操作，其中，气体压力将随着温度的增加而增加。通过使结构具有部分真空来限制高温下的峰值气体压力不仅确保平均自由程将保持大于(多个)部分真空区域的最大间隙间距，而且还防止电容器的保护壳在高温下过压。
由施加的电场加速的自由电子将撞击固体绝缘层或阳极。这些电子可能导致二次电子由绝缘体或金属发射。发射的二次电子与一次入射电子之比是二次电子的发射增益。为了使结构内空间电荷的积聚最小化，二次发射的增益通常保持在1以下。二次电子发射增益是随入射一次电子的能量而变化的材料相关性质。在低能量时，增益低于1。随着(多个)入射电子的能量增加，二次电子发射增益增加。在阈值能量值E1处，增益为1，并且入射电子能量的进一步增加将产生多于一个二次电子。能量低于E1的电子撞击的绝缘体会由于电子的积聚而趋向于带负电。能量高于E1且低于第二阈值E2的电子撞击的绝缘体将发射比撞击该绝缘体的电子的数量更多的电子，并且趋向于带正电。对于本发明的优选实施例的许多绝缘体，E1值为数十电子伏特量级(例如，对于氧化铝为大约74±8eV)。在介于10eV与200eV之间的这些相对较低的电子能电平下，电子在这些结构感兴趣的固体绝缘体中的穿透深度为纳米级。这种短的穿透深度使电子不可能以低于大约1keV的电子能量传输通过任何单个固体绝缘层。由于空间电荷的积聚可能改变绝缘结构中的电场分布并且导致过早击穿，因此必须避免生成过多的自由电荷。为了使该结构能够在高电场下操作，同时限制空间电荷的积聚，可以选择最大理想场电平和间隙间距，以将任何自由电子加速到高达所选固体绝缘体的E1电平。例如，如果E1值为70eV，则结构可以被设计成在2GV/m的场和35nm的间隙间距下操作。假如结构中的场分布不会导致固体绝缘物中的场超过其击穿强度，则较小的间隙间距将允许更高的场。作为第二示例，利用在4GV/m下以17.5nm的间隙间距在真空或气体中进行操作的结构，可以获得二次电子发射的单位增益的相同70eV值。应当注意，不需要真空或气体中的场电平和间隙间距的这些组合来实现本发明的实施例的电介质结构的益处。对于给定的间隙间距，绝缘体可以在比为最小化过多自由电子的生成而计算出的那些电场更低和更高的电场下操作。
在许多情况下，电介质结构的期望操作电压将大于对应于E1阈值的电压。通过增加附加固体绝缘层和真空/气体间隙来实现更高的操作电压。因此，电介质结构可以扩展到由固体绝缘层隔开的许多层真空/气体间隙。固体绝缘物既限制了沿平行于电场的轴线的间隙距离，又提供了机械结构。每个固体绝缘层之间的距离可以根据与先前针对单个真空或气体间隙的一般情况所描述的设计原理相同的设计原理来确定。
如先前所描述的，固体绝缘体通常无法在真空或气体中高能量密度储存所需的GV/m量级的电场电平下操作。因此，为了在真空或气体间隙中储存比在完全固体结构中以其他方式储存的能量更多的能量，电场必须分布在固体与真空或气体层之间，使得真空或气体中的操作场强度远高于固体层中的操作场强度。可以通过利用固体绝缘体与薄真空或气体区域之间的介电常数和电阻率差异来实现电场的该分布。包括了对复合结构的一系列模拟，以既描述电场如何在这些不同的材料之间分布，又展示这些结构如何在真空或气体区域中实现高能量密度电储存。
作为能够在大于1GV/m的场下操作的固体和真空或气体区域的结构的第一示例，呈现了图3的分层结构。图3是根据实施例的电容性结构300的截面，该电容性结构包括两个电极306之间的固体材料区域302和真空或气体区域304的交替层的电介质。该图示出了该结构的截面，以揭示绝缘体的二十一个层(即，固体材料区域302和真空或气体区域304的二十一个层)。在实施例中，固体材料区域302的固体材料是介电常数为十且有效地为无限电阻的电介质(例如，兆欧姆或更高量级的电阻，使得可以有效地将固体材料区域302建模为无限电阻等)。在实施例中，真空或气体区域304的真空或气体的介电常数为一并且有效地为无限电阻(例如，兆欧姆或更高量级的电阻，使得真空或气体区域304可以有效地建模为无限电阻等)。在实施例中，在顶层和底层上，施加厚度为0.01nm的薄电极层(即，电极306)作为有效的优选导体(例如，导电率为107S/m或更高量级的导体，使得在静电模拟中，这些导体可以有效地建模为优选导体)。因此，图3中所展示的电容性结构300的实施例形成有总共十一个固体绝缘层(例如，固体材料区域302)。固体绝缘物(例如，固体材料区域302)覆盖两个电极306。总共有十个真空或气体区域304，其中所有真空或气体区域(即，层)由顶部和底部上的固体材料区域302包含。在展示的实施例中，由于所有二十一个区域/层的总厚度为30nm，因此所有绝缘体层(例如，固体材料区域302和真空或气体区域304)的厚度相等并且被设置为(30/21)nm。在实施例中，固体材料区域302包括金属氧化物、金刚石或氮化物中的至少一种。在另一个实施例中，固体材料区域302包括氧化铝、金刚石、氧化钽、二氧化铪、氧化铌、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅、氮化硼或氮化铝中的至少一种。在实施例中，气体区域304包括空气、氮气、六氟化硫、氧气、氢气、二氧化碳、全氟化碳或氯氟烃中的一种或多种。在实施例中，电极306包括电极导体，并且其中，该电极导体是金属、半导体材料、液体电解质或固体电解质。在另一个实施例中，电极306包括电极导体，并且其中，该电极导体是铝、碳、铪、铌、硅、钛、镍、银、金或钽中的至少一种。
在该示例实施例中，绝缘层(例如，固体材料区域302和真空或气体区域304)和电极306被构造成每边10,000nm的正方形尺寸。这些尺寸允许电容性结构300的长度和宽度以及因此面积相对于电容性结构300的厚度非常大(例如，大于三百倍以上等)。相对于电容性结构的面积而言，层/区域的小厚度不影响不同层(例如，固体区域302和真空或气体区域304)之间的场的分布，但是确实允许电容性结构300限定在计算极限的范围内。
电容性结构300的大面积允许以由电介质结构外部的边缘电容引入的小的误差百分比来计算和分析结构的电容和能量。图4提供了整个电容性结构300和电极306的透视图，以示出与厚度相比电容性结构300的大面积。
通过施加63.42V的电势差来执行分层电容性结构300的静电模拟。一个电极306被限定为处于+31.71V的固定电势处，并且另一个电极306被限定为具有-31.71V的固定电势。投影到图3中展示的电容性结构300的二维截面上的电场的所得绝对值在固体绝缘区域302中的大约400MV/m的值与真空或气体绝缘区域304中的4GV/m之间交替。真空或气体区域304中的电场与固体区域302中的电场之比大约等于固体材料的介电常数与真空或气体的介电常数之比。该比率等效展示了分层电容性结构300如何将电场压缩到低介电常数区域/层中。
图5是根据实施例的沿穿越(例如，垂直于)图3的电容性结构300的二十一个电介质区域/层的单个线施加的电场的绝对值的绘图，示出了固体区域302与真空或气体区域304中的电场量级的差异。当电场为400MV/m(在固体区域302中，εr＝10)和4GV/m(在真空或气体区域304中，εr＝1)时，可以清楚地看到层之间的过渡。应当注意的是，固体绝缘区域302的400MV/m的场电平和10的介电常数与使用氧化铝电介质的高能量密度电容器中的操作电平一致。因此，电场保持在固体电介质区域302的实际极限之内，同时在真空或气体区域304中被增强到GV/m量级的电平。在电容性结构300中，固体电介质区域302中的电场低于全固体结构，该全固体结构在整个全固体电介质中的电场大于2.1GV/m(跨30nm均匀分布63.42V)。因此，在实施例中，电容性结构300实现了比具有全固体电介质的电容性结构更薄的总电介质厚度，这可以在固体电介质的已知电场限制内实现。
电能密度也可以投影到图3中展示的电容性结构300的二维截面上。在不同区域/层中电场的不同过渡之后，电能密度根据材料性质而显著不同。能量密度在固体绝缘区域302中为7.08J/cm3，并且在真空或气体绝缘区域304中为70.8J/cm3。
图6是根据实施例的沿穿越(例如，垂直于)图3的电容性结构300的二十一个电介质区域/层的线的电能密度的绝对值的绘图，示出了固体区域302与真空或气体区域304中的电能密度的差异。真空或气体区域304中的电场高十倍导致真空或气体区域304中的电能密度高十倍，尽管固体绝缘区域302的介电常数更高。
为该电容性结构300计算出的电容为大约5.6×10-14F。考虑到电容性结构300的尺寸，电容性结构300的介电常数为大约1.9。该示例电容性结构300的最终分析是每种材料储存的总能量的计算。在这种情况下，当包括电容性结构300周围的背景时，存在三种电介质材料。背景被限定为介电常数为1。储存在十一个固体绝缘区域302、十个真空或气体绝缘区域304和周围背景中的总能量被分别计算为大约1.13×10-11J、1.01×10-10J和1.57×10- 12J。因此，固体绝缘区域302中的总能量的大约8.9倍被储存在真空或气体绝缘体区域304中。由于在该示例实施例中的附加固体绝缘区域302以及相对较少的整体区域/层的数量，该因数不为十。当区域/层的数量增加并且由于额外的固体绝缘区域302而导致的固体绝缘区域302的额外体积变得可忽略不计时，该因数接近十。前述示例展示了与固体绝缘体相比，在真空或气体层中储存大量能量的可能性。
通过真空或气体区域304中的电场与固体绝缘区域302中的电场之比来测量的场压缩程度取决于固体绝缘物的介电常数。如果固体绝缘物的介电常数理论上为一，则所有层中的电场都将相等。
图7是根据实施例的图3的电容性结构300的真空或气体区域304中储存的总能量与固体区域302中储存的总能量之比相对于固体绝缘物的从1增加到10的介电常数的绘图。固体绝缘物的较高介电常数导致总能量的较大百分比储存在真空或气体区域304中，但是随着固体绝缘物的介电常数的进一步增加，收益减小。由于储存在固体电介质中的最大总能量受到固体的介电强度限制，因此在复合结构中选择的使储存的总能量最大化的固体绝缘物的介电常数常常低于其他候选材料。
实用结构-先前示例展示了考虑到固体的操作场的相同限制，固体区域302和真空或气体区域304的适当设计的复合材料可以在更高的电场下操作，并且在给定体积中比全固体结构储存更多的能量。然而，在一些实施例中，具有完全隔离的真空或气体区域/层是不实际的。可能存在一些机械结构来支撑固体区域302并且维持真空或气体区域304的尺寸。存在多种类型的复合结构，这些复合结构可以提供固体基质(例如，固体区域302的基质)内(例如，分散/分布在整个固体基质中)的真空或气体区域304(例如，孔、间隙、空间、洞、腔、空隙等)。在一些实施例中，包括固体和孔的三维(3D)网络的复合结构为理想的分层示例提供了足够的近似值。具体地，孔的纵横比和对准可以被视为关键因素。
图8是扁球体802的截面的图，其可以表示图3的电容性结构300中的孔(例如，真空或气体区域304)或固体颗粒(例如，固体材料区域302)以及扁球体相对于施加的电场E的对准。截面的平面由图8所示的x轴和y轴限定，并且因此z轴将伸出页面。电场被限定为与y轴平行。由图8的扁球体802表示的孔或固体颗粒是各向异性的，使得在一个平面上的平均颗粒尺寸dmaj或d’maj大于在垂直平面上的平均颗粒尺寸dmin或d’min。孔或颗粒的纵横比被限定为dmaj/dmin或d’maj/d’min。随着纵横比的增加，扁球体802的形状变得更平坦，并且可以通过更紧密接近理想的分层实施例的小薄片、薄片或带状形状来描述(例如，图3所展示的)。正如图3所展示的分层实施例，各向异性形状(例如，扁球体802)的取向使得主要尺寸dmaj或d’maj垂直于施加的电场。然而，优选的对准既不实用也不是必需的，并且角度α被定义为截面中的主要尺寸的平面与垂直于施加的电场的x轴之间的角度。当角度α小于45°(π/4弧度)时，孔或颗粒被视为是对准的，并且通常被称为大致垂直于施加的电场对准。因此，如本文的实施例中所使用的，术语“大致垂直”意指孔或颗粒的主要尺寸在所施加的电场的垂线的45°内(即，45°或更小)。
如果真空或气体区域的纵横比为一并且是各向同性的，则电场将不会被充分压缩到真空或气体区域中，并且真空或气体区域中的电场与固体中的电场之比不足以证明包括电介质中的真空或气体区域。因此，本发明的实施例的真空或气体区域更像板状并且类似于先前示例的高纵横比层。在实施例中，在分层结构的情况下，纵横比至少为四，并且随着纵横比达到无穷大而没有最大值。
图9示出了根据实施例的复合结构900的示例实施例的透视图，该复合结构包括(例如，分散/分布在整个)固体基质904内呈面心立方布置的扁球体(例如，扁球体802等)的真空或气体孔902。真空或气体孔902和固体基质904布置在电极906之间。在所展示的实施例中，电极906和固体绝缘基质904是半透明的，以展示孔902。
复合结构900的示例实施例包括介电常数为十的固体基质904，其中包括许多真空或气体孔902(例如，分散/分布在整个固体基质中)。孔902被限定为介电常数为一和并且主要尺寸(d’maj)为40nm的扁球体(例如，扁球体802等)。对于纵横比为二十的次要尺寸(d’min)为2nm。孔902以面心立方结构布置，其中沿平行于主要尺寸的轴线的孔之间的间距为1nm，并且沿平行于次要尺寸的轴线的孔之间的间距为0.1nm。扁球体和面心立方填充物的选择仅仅是可以在本发明的实施例中使用的许多孔形状和填充物类型的一个示例。在一些实施例中，孔902是互连的，并且隔离孔902的使用仅出于示例目的，并且不旨在限制具有互连孔902的实施例。电容器结构900的尺寸在平行于主要孔尺寸的轴线上为204.5nm×206nm，并且在平行于次要尺寸的轴线上为14.5nm。复合结构900的示例实施例的尺寸、孔的数量和孔层的数量并非旨在是限制性的。在复合结构900的示例实施例中，电极906具有107S/m或更高量级的导电率，使得这些电极可以在静电模拟中被建模为完全导电的电极，其中在平行与主要尺寸的两个表面中的厚度为0.01nm。在存在孔902之前，沿与电极906的界面存在厚度为1nm的固体绝缘层。在实施例中，固体基质904包括金属氧化物、金刚石或氮化物中的至少一种。在另一个实施例中，固体基质904包括氧化铝、金刚石、氧化钽、二氧化铪、氧化铌、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅、氮化硼或氮化铝中的至少一种。在实施例中，气体孔902包括空气、氮气、六氟化硫、氧气、氢气、二氧化碳、全氟化碳或氯氟烃中的一种或多种。在实施例中，电极906包括电极导体，并且其中，该电极导体是金属、半导体材料、液体电解质或固体电解质。在另一个实施例中，电极906包括电极导体，并且其中，该电极导体是铝、碳、铪、铌、硅、钛、镍、银、金或钽中的至少一种。
图10示出了图9的复合结构900的截面视图，其示出了在固体绝缘基质904的三维网络内分散/分布的孔902。以施加的电势差为12.25V(例如，施加到第一电极906的+7.625V和施加到第二电极906的-7.625V)模拟复合结构900。
图11是根据实施例的εr＝10(Y＝119.466)的固体基质904中的真空或气体孔902的扁球体的复合结构900在图10的二维截面上的电场的绝对值的绘图。在该示例实施例中，扁球体孔902的面心立方填充物不延伸到电容器结构900的边缘，因此可以忽略电容器结构900的边缘处的场。重要的场结果背离结构900的边缘，在该结构中，扁球体孔902以面心立方布置被完全填充。在图11中，阴影区域表示高于1GV/m的电场。
从图11的分析中清楚的是，复合结构900的孔902的大的纵横比导致电场压缩到多孔体积中。与先前考虑的(例如，图3)分层结构的简单情况不同，在孔902和固体基质904内的场大小均存在变化。为了量化孔区域902和固体基质区域904两者中的电场的变化，通过沿图11中平行于施加的场的三个标记的1101、1102、1103线绘制电场来产生以下三个曲线图。
图12是沿图11中的线1103(Y＝119.466；X＝102；Z＝0到14.5)处展示的垂直于电极906的轴线的电场的绘图。较高电场区域对应于εr＝1的孔902并且较低电场区域对应于εr＝10的固体基质904。孔902中的电场在大约3.0GV/m到3.12GV/m的范围内，并且固体基质904中的电场在小于0.3GV/m到0.42GV/m内变化。这些范围对应于孔902中的电场与基质904中的电场之比为7.14到10.4。
图13是沿图11中的线1102(Y＝119.466；X＝114；Z＝0到14.5)处展示的垂直于电极906的轴线的电场的绘图。再次，在孔902的体积中存在较高的电场，并且在固体基质904中存在较低的电场。在孔902的区域中，孔902内的电场介于大约1.54GV/m与1.78GV/m之间。在固体基质904的区域中，固体基质904中的电场介于大约0.154GV/m与0.256GV/m之间。这些值对应于孔902中的电场与固体基质904中的电场之比介于6与11.6之间。结构900的该区域中(例如，在线1102处)的电场最类似于(例如，图3的)分层示例中的电场。
图14是沿图11中的线1101(Y＝119.466；X＝123；Z＝0到14.5)处展示的垂直于电极906的轴线的电场的绘图。沿感兴趣的线1101的孔902的区域具有介于大约1.8GV/m与2.15GV/m之间的场强度。固体区域904中的最大场强度略小于0.3GV/m，而固体基质904中的最小场强度为大约0.18GV/m。因此孔902中的电场与固体基质904中的电场之比可以被计算成范围为6到11.95。
前述附图和讨论建立了，当真空或气体区域的纵横比大于四时，三维层状复合结构900可以在真空或气体的低介电常数体积中压缩电场。比单独的场压缩更重要的是，场压缩是否足以在真空或气体体积中产生比在固体中更大的电能储存密度。
图15示出了图11所示的相同截面的能量密度的二维绘图。在图15中，阴影区域表示大于或等于6J/cm3的能量密度。图16至图18绘制了沿图15所示的三条线1101、1102、1103的电能密度。图16至图18对应于为产生图12至图14而绘制电场的相同线。
图16是沿图15中的线1103(Y＝119.466；X＝102；Z＝0到14.5)处展示的垂直于电极906的轴线的电能密度的绘图。在图16中，在真空或气体占据的区域902中，电能密度显著更高，尽管其介电常数比固体基质904低。真空或气体区域902中的能量密度介于40J/cm3与43J/cm3之间。固体基质904中的能量密度介于大约4.2J/cm3与7.75J/cm3之间。
图17是沿图15中的线1102(Y＝119.466；X＝114；Z＝0到14.5)处展示的垂直于电极906的轴线的电能密度的绘图。真空或气体区域902中的能量密度介于大约10.5J/cm3与14J/cm3之间。固体基质区域904中的能量密度处于大约1.05J/cm3到2.9J/cm3的范围内。
图18是沿图15中的线1101(Y＝119.466；X＝123；Z＝0到14.5)处展示的垂直于电极906的轴线的电能密度的绘图。真空或气体区域902中的能量密度介于大约15.19J/cm3与20.15J/cm3之间。固体基质区域904中的能量密度处于大约1.5J/cm3到3.9J/cm3的范围内。
图16至图18证实了真空或气体区域902中的电能密度大于固体基质区域904中的电能密度，尽管固体中的介电常数更高(固体中εr＝10；真空或气体中εr＝1)。因此，与单独使用固体相比，本发明的实施例所描述的电介质结构以及真空或气体区域的结合实现更大的能量密度。先前示例中描述的能量密度仅是说明性的，并且可能更高。例如，图12至图14中观察到的固体中的最高电场为大约0.42GV/m(420MV/m)。该场电平低于已知固体电介质的介电强度，这些已知固体电介质的介电常数类似于模拟中使用的值十，这些电介质包括但不限于氧化铝和金刚石。这意味着电压可以在模拟中被增加，同时保持在固体基质904的介电强度的已知极限内。如果所施加的电压缩放了大约1.9倍，则固体基质904中的最大场增加到0.8GV/m(800MV/m)。该值等效于许多阳极氧化铝膜中的最大介电强度。在固体区域904和真空或气体区域902中，将场增加1.9倍会使能量密度增加3.6倍。因此，能量密度将在图17的真空或孔区域902中缩放到大约37.8到50.4J/cm3。图18中预测的峰值能量密度将增加到大约72.5J/cm3。由于氧化铝击穿的理论值为大约1.38V/nm(1.38GV/m)，因此先前示例中的电场可以缩放3.28倍，并且能量密度将缩放10倍以上。因此，真空或气体中的能量密度可以超过100J/cm3。
先前示例基于包括固体基质904的复合结构900，该固体基质具有在整个固体基质904中分散/分布的许多真空孔或气体孔902。可以将本发明的另一个示例实施例描述为包括具有在整个真空或气体基质中分散/分布的许多固体电介质颗粒902的真空或气体基质的复合结构。该多孔复合结构900可以用高纵横比的颗粒具体化，其中颗粒的长轴大致垂直于施加的电场，并且短轴大致平行于施加的电场。在优选实施例中，颗粒是纵横比为四或更大的薄片或小薄片。薄片和小薄片在大致垂直于施加的电场的平面中可以具有不规则的截面，但是颗粒的尺寸在相同的数量级上，以被视为是薄片或小薄片。适用于该实施例的替代性颗粒形状是带状颗粒，其中，在垂直于电场的平面中颗粒的一个尺寸(带的长度)比在垂直于电场的平面中颗粒的另一尺寸(宽度)大得多。然后，通过带的宽度相对于带的厚度来确定颗粒的最小纵横比。其他替代性实施例可以包括薄片或小薄片和带状颗粒的组合。可以选择颗粒的大小和类型的变化，以单个颗粒大小或颗粒类型无法实现的方式来控制结构和孔隙率。
可以利用与先前示例(例如，图9至图18)中所使用的模型结构类似的模型结构来模拟由高纵横比颗粒形成的结构的实施例。然而，如图19中的复合结构900’的第二示例实施例的截面视图所展示的，改变了材料限定，使得扁球体区域1902现在被限定为介电常数为十的颗粒，并且周围基质1904被限定为介电常数为一的真空或气体。由于基质1904现在是真空或气体，因此在电极1906上添加固体绝缘层。模型中包括在每个电极1906与最接近的高纵横比颗粒层之间的介电常数也为十的固体绝缘层1908。图19示出了基于具有电极1906上的固体绝缘物1908的真空/气体基质1904中的高纵横比固体颗粒1902的模拟复合材料的截面视图。尽管在该示例实施例中，将高纵横比颗粒1902建模为扁球体(例如，扁球体802等)，但是例如在满足纵横比标准时，颗粒1902的形状可以采取多种形式，包括具有矩形或接近矩形截面的那些形式。
在示例实施例中，模拟电容器复合结构900’的长度和宽度尺寸为226nm×204.5nm。纵横比为20的固体颗粒1902的主要尺寸为40nm，次要尺寸为2nm。沿平行于电极的两个轴线的颗粒1902之间的距离为1nm。由于颗粒在多孔结构中是自支撑的(即，高纵横比颗粒1902相互接触以形成电介质结构的机械框架)，因此沿平行于施加的电场的轴线的颗粒1902之间的距离为零。在实施例中，电极1906的厚度为0.01nm(例如，出于静电模拟的目的等)。每个电极1906上的固体绝缘阻挡层1908的厚度为0.9nm。包括固体层的总电介质厚度为14nm。当忽略材料之间的场压缩时，大约为1.09GV/m(1.09V/nm)的平均电场的施加的电压为15.25V。应注意的是，该场电平高于通常单独施加到固体绝缘体的场电平。在实施例中，高纵横比固体颗粒1902和/或固体绝缘层1908包括金属氧化物、金刚石或氮化物中的至少一种。在另一个实施例中，高纵横比固体颗粒1902和/或固体绝缘层1908包括氧化铝、金刚石、氧化钽、二氧化铪、氧化铌、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅、氮化硼或氮化铝中的至少一种。在实施例中，气体基质1904包括空气、氮气、六氟化硫、氧气、氢气、二氧化碳、全氟化碳或氯氟烃中的一种或多种。在实施例中，电极1906包括电极导体，并且其中，该电极导体是金属、半导体材料、液体电解质或固体电解质。在另一个实施例中，电极1906包括电极导体，并且其中，该电极导体是铝、碳、铪、铌、硅、钛、镍、银、金或钽中的至少一种。
图20是根据实施例的真空或气体基质1904(εr＝1)(Y＝119.446)中的固体颗粒1902(εr＝10)的扁球体的复合结构在图19的二维截面上的电场的绝对值的绘图。从图20显而易见的是，由扁球体形成的固体颗粒1902中的电场远低于周围的真空或气体区域1904中的电场。类似地，电极1906上的固体阻挡物1908中的电场远低于真空或气体区域1904中的场。图20中的阴影区域表示电场大于1GV/m的区域。这些阴影区域对应于真空或气体区域1904。
图21至图23绘制了沿垂直于电极1906平面的z轴的电场。图21至图23中的这三个曲线图示出了电极1906上的固体阻挡物1908、真空/气体区域1904和固体颗粒1902中的场电平之间的差异。在所有三种情况下，固体层1908和固体颗粒1902中的场电平均低于400MV/m(0.4V/nm)，而真空或气体区域1904中的场则增强到大于1.5GV/m(1.5V/nm)的电平。
图21是沿图20中的线2003(Y＝119.446；X＝102；Z＝0到14)处展示的垂直于电极的轴线的电场的绘图。如图21所展示的，真空/气体区域1904中的电场介于1.63GV/m与1.73GV/m之间。固体区域1902中的电场为大约小于0.175GV/m的较低数量级。
图22是沿图20中的线2002(Y＝119.446；X＝114；Z＝0到14)处展示的垂直于电极的轴线的电场的绘图。与图21相比，当真空/气体区域1904中的场的范围介于大约2.3GV/m与3.56GV/m之间时，图22中绘制的区域中的电场电平更高。固体区域1902中的电场处于0.29GV/m到0.343GV/m的范围内。
图23是沿图20中的线2001(Y＝119.446；X＝123；Z＝0到14)处展示的垂直于电极的轴线的电场的绘图。在图23所示的电场的曲线图中，真空/气体区域1904中的电场介于2.23GV/m与2.97GV/m之间。固体区域1902中的电场介于0.227GV/m与0.304GV/m之间。如图21至图23展示的，固体区域1902中的电场保持低于许多固体绝缘体的击穿阈值，而真空/气体区域1904中的场增强到比常规电介质中使用的那些场更高的电平。图24至图27示出了图20至图23中的电场曲线图的对应能量密度值。
图24示出了图19所示的相同截面的能量密度的二维绘图。从固体层1908和固体颗粒1902到周围的气体或真空区域1904的阴影差异看出，真空气体区域1904中的电能密度比固体区域1902和1908中达到的电能密度高。在图24中，对应于真空或气体区域1904的非阴影区域表示大于或等于7J/cm3的电能密度。图25至图27中的曲线图沿z轴遵循相同的三条线2001、2002、2003绘制电能密度作为一维电场绘图。真空或气体区域1904中较高的电场电平导致真空/气体区域1904中的能量储存密度比固体区域1902和1908中的能量储存密度高多达一个数量级。
图25是沿图24中的线2003(Y＝119.446；X＝102；Z＝0到14)处展示的垂直于电极1906的轴线的电能密度的绘图。如图25所示，真空/气体区域1904中的电能密度处于11.9J/cm3到13.3J/cm3的范围内。固体区域1902和1908中的电能密度为1.21J/cm3到1.36J/cm3。
图26是沿图24中的线2002(Y＝119.446；X＝114；Z＝0到14)处展示的垂直于电极1906的轴线的电能密度的绘图。在图26中，真空/气体区域1904和1908中的电能密度介于38.1J/cm3与56.2J/cm3之间。固体区域1902和1908中的电能密度介于3.74J/cm3与6.07J/cm3之间。
图27是沿图24中的线2001(Y＝119.446；X＝123；Z＝0到14)处展示的垂直于电极1906的轴线的电能密度的绘图。在图27中，真空/气体区域1904中的电能密度介于22.0J/cm3与39.1J/cm3之间。固体区域1902中的电能密度介于2.29J/cm3与4.11J/cm3之间。
正如固体基质904中的真空/气体孔902的先前示例实施例，具有与电极1906邻接(即，相邻)的固体绝缘层1908的真空/气体基质1904中的固体颗粒1902的该示例实施例已证实，真空或气体区域中的电能密度大于固体基质区域中的电能密度，尽管固体的介电常数更高(固体中εr＝10，真空或气体中εr＝1)。先前示例中描述的能量密度仅是说明性的，并且可能更高。例如，图21至图23中观察到的固体区域1902和1908中的最高电场为大约0.343GV/m。该场电平低于已知固体电介质的介电强度，这些已知固体电介质的介电常数类似于模拟中使用的介电常数，这些已知固体电介质包括但不限于氧化铝和金刚石。这意味着电压可以在模拟中被增加，同时保持在固体颗粒和固体绝缘层的介电强度的已知极限内。如果将施加的电压缩放2.3倍，则固体颗粒中的最大场将增加到大约800MV/m，其作为等效于许多阳极氧化铝膜中的最大介电强度的值。在固体区域1902和1908以及真空/气体区域1904两者中，将施加的电压以及因此电场增加2.3倍会使能量密度增加5.29倍。因此，能量密度将在图26的真空/气体区域1904中缩放到大于200J/cm3。由于氧化铝的击穿理论值为大约1.38V/nm(1.38GV/m)，因此先前示例中的电场可以缩放高达4倍，对应于缩放了16倍的能量密度，同时处于氧化铝的击穿极限之内。因此，在真空/气体区域中可以实现极高的电能密度。
前述示例考虑了导电率为零的理想电介质。在那些情况下，电容性结构内的电场分布由包括结构的材料的介电常数和物理布置确定。对于一些固体绝缘体，尤其是在长时间范围内或非常低的操作频率下，绝缘体的导电率是不可忽略的，并且通过固体的传导可能会对电场的分布有影响。然而，即使在这些情况下，本发明的实施例的结构也压缩真空或气体区域中的电场。
在分层结构的情况下(参见图3至图7)，固体绝缘体内的电荷移动将进行以抵消固体层内的施加的电场。在最极端的情况下，电场将在固体层中被完全抵消，并且整个施加的电压将跨真空层或气体层下降。这将具有增加真空或气体层中的能量密度以及真空或气体层中储存的能量与固体层中储存的能量之比的效果。尽管具有这种明显的优点，但是优选实施例包括具有非常低的导电率的固体绝缘体，因为固体绝缘体内的电荷移动会造成损耗。
在孔散布或分布在整个基质中的纵横比大于四的固体绝缘体的三维矩阵的情况下(参见图9至图18)，优选实施例再次包括具有非常低的导电率的固体绝缘体以限制泄漏电流。然而，即使在固体绝缘体导电率的影响不可忽略时，电场仍将在真空或气体孔中被压缩。电场的该压缩再次归因于孔的纵横比。当考虑跨孔的中心的电压降时，电阻性电压降取决于穿过在孔表面周围延伸的固体绝缘体的曲折路径。孔内的场由孔两侧的电势差确定。对于较大的纵横比，相对于穿过真空或气体的孔的路径，穿过固体的孔周围的路径变得非常长。因此，由于固体中的电阻性传导而产生的沿着孔周围的相对较长的路径的电压降沿施加的场的轴线跨孔的相对较短的距离被施加。由于真空或气体中的场高于固体基质中的场，因此仍然在孔中实现场压缩和更高的电能密度。在真空或气体的基质中具有高纵横比的固体颗粒的情况下，实现相同的效果(参见图19至图27)。穿过高纵横比孔的长且曲折的传导路径将电场压缩到跨固体颗粒之间的真空或气体区域的相对较短的距离中。
附加益处-本文标识了电介质的几个改进领域，包括能量、功率和电容的密度度量、极端温度下的操作、与温度循环的兼容性、相对于温度、施加的电压/电场和频率的性质稳定性、介电损耗、可靠性以及与自清除方法的兼容性。与本领域中已知的常规电介质相比，本发明的实施例的电介质结构提供了多个优点。在示例实施例的模拟中已经建立了能量密度优势，因为真空/气体区域中的能量密度水平超过了固体电介质所能达到的值。由于能量储存的静电(即，不是电化学的)性质，高能量密度值对应于高功率密度值。电介质结构可以快速充电和放电，从而实现高功率密度。由于本发明的实施例的电介质结构可以在比固体电介质更高的电场电平下操作，因此对于等效的施加电压，可以使电介质结构比常规的固体电介质更薄。尽管本发明的实施例的电介质结构的等效介电常数低于常规固体电介质的介电常数，但是电介质的较小厚度可能导致比常规固体电介质所实现的更高的电容密度(F/m2)。较高的电容密度使得能够制作具有较小电介质面积(即，较小的长度和/或宽度)的额定电容的电容器。与利用常规固体电介质产生的那些电介质相比，更薄的电介质和更小的电容器面积直接导致基于多孔电介质的电容器大小和重量的减小。对于等效电容和额定电压，减小的大小和重量对应于利用电介质结构制成的装置的更高的能量密度和功率密度。
在一些应用中，不需要较高的能量和/或功率密度，但是由于使用了本发明的实施例的电介质结构，因此与本领域的常规电介质相比存在附加优点。这些优点中的许多优点是由于电场被压缩到真空/气体区域中，并且因此大部分能量被储存在真空/气体区域中。可以通过以下来解释这些益处：当与液体或固体电介质相比时，在真空或气体电介质内相对不存在可极化分子。
介电损耗源自施加的电场与电介质的感应极化之间的差异。对于高极性材料和在施加的场的更高的频率下，介电损耗往往更高。由于真空中没有极化的原子或分子，因此没有介电损耗的来源。尽管气体的原子和分子可以被极化，但单位体积的原子或分子的相对较低的密度意指介电常数非常接近于一，并且与液体或固体相比，损耗也非常低。因此，通过在储存大量能量的区域中使用真空或气体，介电损耗低于从液体或固体电介质中获得的那些介电损耗。
介电性质随施加的电压、频率或操作温度的变化是许多电容器应用的关键参数。介电常数正好为1的真空和介电常数略大于1的气体(例如，ε干燥空气＝1.00059；εN2＝1.00054；εO2＝1.00049；εSF6＝1.002)相对于施加的电压/电场、频率和操作温度没有变化(真空)或变化很小(对于气体而言，多达1％的分数)。因此，本发明的实施例的电介质结构在施加的电压/电场、频率和操作温度的宽范围内具有非常稳定的性质，包括电容和能量密度。
在需要在极端环境下使用的许多应用中，高温和低温下的操作能力至关重要。真空的介电常数和介电强度不是温度的函数。类似地，气体的介电常数的依赖性对温度的依赖性非常弱。如先前所描述的，由于在每个真空/气体区域中这些尺度的气体介电强度不是由于可能具有温度依赖性的电子雪崩现象引起的，因此真空/气体区域的击穿并不具有强烈的温度依赖性。因此，仅形成结构的电极和固体绝缘材料将限制结合真空或气体区域的电容性结构的操作温度。在使用金属电极和稳定的绝缘固体电介质的许多实施例中，操作温度可能超过工业要求。例如，利用铝电极在部分真空压力下由氧化铝和干燥氮气的电介质结构形成的电容器可以在比聚合物电介质更高的温度下操作。铝的熔化温度为大约660C，并且可能导致电介质结构变化的氧化铝的烧结温度通常会远远高于1000C。
尽管关于能量和功率密度的较早的讨论主要是在体积方面，但是本发明的实施例在减少重量方面也提供了增加的优点。通过需要较少量的电绝缘材料，直接减少了重量。另外，由于显著百分比的电介质由真空或气体构成，因此装置的重量将低于包括液体或固体的相同大小的电容器。即使体积相同，常规上包括固体的绝缘物中真空或气体的唯一使用也减少了重量。
自清除或自修复用于高能量密度电容器中，以通过隔离电介质中的故障点来逐渐减小电容而实现适度故障，这与未隔离的短路电介质的突然并且常常是永久性故障相反。本发明的实施例与本领域中已知的用于固体绝缘体的自清除或自修复的先前开发的技术兼容，但是还提供了附加设计元素来以至少两种方式进一步改进相对于固体电介质的自清除性能。首先，由于优选实施例不是基于聚合物电介质，因此在故障位点处加热所形成的残余产物不会导致石墨或其他导电碳基材料的产生。这减少或消除了故障位点处的泄漏电流，该泄漏电流可能导致装置的更高损耗或过早故障。第二，多孔结构允许引入各种气体或甚至液体以结合到电介质结构中，这可以有助于自清除过程。可以选择孔中的气体以增强电极金属化物的汽化和/或氧化。例如，当加热到与故障或经受故障的其他“热点”一致的高温时，将气体混合物与氧气结合作为组分可以使电极金属化物能够氧化为绝缘体。也可以结合其他气体以与电极金属化物或多孔结构进行化学反应，以增强自清除或自修复能力。根据在本发明的某些实施例中使用的电极的类型，可以使用一种或两种方法来创建自修复装置。
在一些应用中，组分可靠性是比能量或功率密度更高的优先级。如先前所描述的，常规电介质在从其最大操作电平降额的电平下操作(例如，在比所测得的电介质击穿强度低得多的电场下操作)，以增加部件的寿命和/或实现极端环境(例如，高温环境)中的操作。当增加降额因数时，电介质的寿命或可靠性会更高(即，电介质在比其最大值低的电平下操作)。通过由于较高的介电强度而具有较高的最大操作电场，与在可比较的电场电平下操作的常规电介质相比，本发明的实施例的电介质结构可以以更高的降额因数操作。因此，与常规电介质相比，可以增加电介质的可靠性或寿命。
用于制造多孔结构的方法-存在用于产生满足本文描述的规格的电容性结构的多种制造方法。本文描述了三种示例性方法：(1)两亲性嵌段共聚物；(2)组装高纵横比颗粒；以及(3)纳米光刻。这些方法中的每一种都单独描述。本领域普通技术人员将理解，本文描述的制造方法是示例性并且非限制性的。
在实施例中，本文描述的电容性结构是通过两亲性嵌段共聚物制造的，这些两亲性嵌段共聚物自组装以产生有序的多孔结构。这些多孔结构由金属氧化物或其他材料的溶胶-凝胶混合物形成，以形成自组装成三维网络的固体基质和两亲性嵌段共聚物。可以通过许多手段将溶胶-凝胶混合物施涂到衬底，其中可以将液体溶液施涂到固体表面，这些手段包括浸涂、喷涂、印刷、狭缝式模头涂覆或本领域已知的任何其他施涂方法。为了形成电容性结构，可以将溶胶-凝胶混合物施涂到具有或不具有预先形成在电极上的固体绝缘层的电极衬底。当电极具有绝缘层时，绝缘层可以由电极的氧化或阳极氧化或其他化学反应、通过化学或物理方法沉积绝缘层或将绝缘体施涂到导体上的另一种手段形成。可以蚀刻导体以增加表面积。例如，在一个实施例中，电极可以选择为铝箔。可以蚀刻铝箔以增加箔的表面积，并且可以通过箔表面的氧化或阳极氧化或其他化学反应将绝缘层形成为氧化铝。在将溶胶-凝胶混合物的层施涂到电极或绝缘体表面之后，两亲性嵌段共聚物会自组装成有序网络。通过加热溶胶-凝胶层，可以将嵌段共聚物从组装物中去除，而无需去除基质结构。组装物的加热还可以对基质结构进行退火或烧结，以改进其机械稳定性和所选基质材料的其他性质特性。通过控制溶胶-凝胶混合物的性质和加热过程，可以使多孔结构在加热期间部分收缩，使得通过去除两亲性嵌段共聚物而留下的孔的纵横比大于四。材料和过程选择的优化可以使纵横比足够大，以充分压缩真空或气体孔中的电场。具有或不具有固体绝缘涂层的第二电极可以通过若干种手段施涂，包括将金属溅射到多孔固体基质上、其他化学或物理沉积方法或以固体或液体电解质的形式。替代性地，可以将具有或不具有绝缘层并且进一步具有或不具有多孔固体基质的第二箔施涂在第一多孔固体基质的顶部上。
产生本发明的实施例的电容性结构的第二种技术包括填充高纵横比颗粒(包括薄片、小薄片或带)使得其较长尺寸大致垂直于(例如，在垂线的四十五度内，等等)施加的电场，并且最短尺寸(例如，颗粒的厚度)大致平行于施加的电场。由于颗粒的不完全填充，在颗粒之间存在孔，并且孔还具有高纵横比，其中孔的较长尺寸大致垂直于施加的电场，并且孔的较短尺寸大致平行于施加的电场。具有高纵横比的固体颗粒可以施涂到具有或不具有固体绝缘涂层的电极。如在先前的方法中一样，可以在用颗粒涂覆之前蚀刻电极以增加表面积。可以利用本领域已知的任何涂覆机制来施涂固体颗粒。然后可以通过加热过程、利用附加固体绝缘层或电极的涂覆过程或其他方法将固体颗粒机械或化学地固定在适当的位置。例如，在一个实施例中，由于其高纵横比，可以使用氧化铝薄片，如来自Kinsei Matec公司的Serath或来自河合石灰工业株式会社(Kawai Lime Industry Co.Ltd.)的Serasu，这给予这些氧化铝薄片片状结构、高介电强度和大约九的高介电常数。通过以相同的取向布置氧化铝小薄片或薄片，颗粒堆将在其之间具有真空或气体区域，这些区域也具有高纵横比。可以包括纵横比较小和/或形状不同的附加颗粒(例如，薄片和带)，以增加氧化铝颗粒之间的真空或气体区域的体积。另一个固体绝缘涂层和另一个电极可通过溅射、其他化学或物理沉积方法或以固体或液体电解质的形式施涂。
纳米光刻是指产生尺寸小于1,000nm的结构和部件的方法。可以利用纳米光刻方法来创建与本发明的实施例的电介质结构有关的尺度的结构。从一个或多个导电或半导电层，可以施涂薄的绝缘层并且在本发明的实施例的尺度上留下真空或气体间隙。在制作本发明的实施例的电容性结构所需的尺度下，通过纳米光刻施涂电极也是可能的。在一个实施例中，结构可以主要是二维的(2D)，形式为成排的电极或叉指式电极，从而制成跨表面结合固体绝缘体和真空/气体间隙的电容性结构。在另一个实施例中，结构也可以是三维(3D)，其形式类似于先前描述的分层结构或结合板状孔的结构。
将电介质结构结合到部件中的方法-由于本发明的实施例的电介质结构使得能够以非常小的厚度的电介质进行操作，因此多孔电介质可能不会以非常小的厚度(例如，小于5微米)机械地自支撑。例如，在那些薄膜情况下，电介质可能需要沉积在如电极箔或板等支撑结构上。当沉积到电极箔上时，相对电极可以作为与先前描述的用于自清除的金属化物一致的薄金属化物沉积到电介质上。先前已经开发出用于在电介质膜上制作电容器的许多电极图案和配置。所有那些电极图案和配置都可以适用于本发明实施例的电介质结构。
图28展示了电介质层和薄膜金属化物沉积在导电箔2806(例如，铝箔等)上的一个示例实施例。在图28中，层的厚度不是按比例绘制的，并且仅旨在示出层的排序。导电箔2806首先经历将薄的固体绝缘体2808(例如，氧化铝等)施涂到顶表面和底表面的过程。如该示例中所示，导电箔2806被氧化以产生薄绝缘层2808。导电箔2806的一个边缘被绝缘物2808完全绝缘，以防止从该边缘到箔2806的导电部分的电连接。在固体绝缘层2808的顶部，在两侧上涂覆一层多孔电介质结构2802。该多孔电介质结构2802是主要能量储存区域，并且包括实际结构的总厚度的显著百分比。另一个固体绝缘层2808可以沉积在多孔电介质结构2802的暴露侧上。最后，用薄的导电涂层2804将膜的一侧金属化以形成第二电极。该第二电极可以不一直延伸到第一导电箔2806暴露的边缘，而是可以延伸到相对的边缘。替代性地，第二电极可以由第二箔形成。利用图28的层状膜，例如可以通过将膜围绕心轴缠绕来制作电容器。该布置实现从缠绕电容器的相对边缘到两个电极(例如，导电箔2806和导电涂层2804等)的电连接。电容器电极图案和制作方法在本领域中已知存在许多变化。该示例说明了一种可以在电容器中实施本发明的实施例的多孔电介质结构的方式。
根据先前的描述，当从如导电电极箔2806等支撑结构开始时，可以利用加工方法来形成分层膜和电容器。然而，由于电极的厚度可能会变成整个电容器能量密度的限制因素，因此，对于电容器的每个层都不需要机械自支撑结构的替代性制造方法有利于减小整个电容器的大小和重量。用于通过在单个机械支撑结构上的多次沉积来制作多层电容器的方法提供了减小电极的体积和重量的手段。用于产生多个层的一种这样的方法的示例包括旋转的圆柱形支撑件，在该支撑件上按层构建电容器。沿圆柱体的圆周，放置各种涂层或加工设备，使得在圆柱体上的某个点旋转时，可以施涂多层多孔电介质、固体电介质和电极金属化物。通过控制金属化，使得金属化电极延伸到的圆柱体的边缘在电介质的层之间交替，可以仅利用一个机械支撑件来制作多层电容器结构。在已经制作足够的层之后，可以从该机械支撑件去除电容器，使得该电容器在机械上是自支撑的。用于利用这些方法制作电容器的系统的几何形状不限于旋转圆柱体，而是可以由具有传送器的系统或用于通过多个涂覆、沉积和/或加工站来转移电容器的其他系统来体现。这些方法的其他实施例可以包括固定的电容器制作平台，其中涂覆、沉积或加工设备依次在电容器的表面上方移动以在类似印刷的过程中构建电容器结构。
图29示出了分层结构的示例实施例，该分层结构可以使用先前描述的替代性制造方法构建在未示出的支撑结构上。该示例结构仅结合了薄金属化的电极涂层(例如，多孔电介质结构2802、薄导电涂层2804、固体绝缘层2808等)。可以根据需要添加附加层，以增加电容器的总电容。
在一方面，一种制品可以包括电介质结构。示例性制品包括但不限于电容器、电路衬底、传输线和电缆、半导体器件、电子装置、计算机、电视、智能电话、平板计算装置、可穿戴计算装置、包装件、盒子、船运集装箱、车辆、立体声/音频设备和装置、无人驾驶飞行器(UAV)(例如，无人机)等。电介质结构包括介电常数大于四的至少一种固体材料的一个或多个区域(例如，固体材料区域302、固体基质904、固体颗粒1902等)以及多个真空或气体区域(例如，真空或气体区域304、真空或气体孔902、真空或气体基质1904等)。至少一种固体材料的一个或多个区域中的至少一个区域具有第一平均颗粒尺寸(dmaj)和第二平均颗粒尺寸(dmin)。此外，多个真空或气体区域中的至少一个真空或气体区域具有第一平均颗粒尺寸(d’maj)和第二平均颗粒尺寸(d’min)。该至少一种固体材料的至少一个区域的dmaj与dmin的纵横比等于或大于四，和/或该至少一个真空或气体区域的d’maj与d’min的纵横比等于或大于四。该多个真空或气体区域遍布至少一种固体材料的该一个或多个区域分散，使得在向该电介质结构施加电场(E)时，至少一种固体材料的该一个或多个区域中的平均电场小于该多个真空或气体的多个区域中的平均电场。
在另一方面，制品可以进一步包括一个或多个电极(例如，电极306、电极906、电极1906等)。在实施例中，上文描述的电介质结构和该一个或多个电极一起包括电容性结构(例如，电容性结构300、复合结构900、复合结构900’等)。
在又另一方面，制品可以进一步包括用于电连接到该一个或多个电极的两个或更多个端子。在实施例中，上文描述的电容性结构和该两个或更多个端子一起包括电容器。
在另一方面，制品可以进一步包括包含至少两个导体的至少一条传输线。在实施例中，上文描述的电容性结构和该至少一条传输线一起包括电路衬底。
在又另一方面，制品可以进一步包括包含至少两个导体的至少一条电缆。
根据前述内容，将看到的是，本发明非常适于达到上文阐述的所有目的和目标以及结构和方法固有的其他优点。应当理解，某些特征和子组合具有效用，并且可以在不参考其他特征和子组合的情况下采用。这是由权利要求的范围所设想的并且处于权利要求的范围内。由于本发明的许多可能实施例可以在不脱离其范围的情况下进行，因此还应当理解，本文中阐述的或附图中所示的所有主题应被解释为说明性的而不是限制性的。
上文描述的和附图中展示的构造仅以示例的方式呈现，并且不旨在限制本发明的概念和原理。因此，已经示出并且描述了新颖发明的若干个实施例。根据前述描述显而易见的是，本发明的某些方面不受本文所示的示例的特定细节限制，并且因此预期本领域技术人员将会想到其他修改和应用或其等效物。在前述说明书中使用的术语“具有”和“包括”以及类似术语是在“任选”或“可以包括”的意义上使用的，而不是“必需的”。然而，在考虑说明书和附图之后，本发明构造的许多改变、修改、变化以及其他用途和应用对于本领域技术人员将变得显而易见。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所有这种改变、修改、变化以及其他用途和应用都被认为由仅由所附权利要求来限制的本发明覆盖。

Claims (34)

1.一种制品，包括：
电介质结构，该电介质结构包括：
介电常数大于四的至少一种固体材料的一个或多个区域，其中，至少一种固体材料的该一个或多个区域中的至少一个区域具有第一平均颗粒尺寸(dmaj)和第二平均颗粒尺寸(dmin)；以及
多个真空或气体区域，其中，该多个真空或气体区域中的至少一个真空或气体区域具有第一平均颗粒尺寸(d’maj)和第二平均颗粒尺寸(d’min)；其中，以下各项中的至少一项：
至少一种固体材料的该至少一个区域的dmaj与dmin的纵横比等于或大于四；以及
该至少一个真空或气体区域的d’maj与d’min的纵横比等于或大于四，并且
其中，该多个真空或气体区域遍布至少一种固体材料的该一个或多个区域分散，使得在向该电介质结构施加电场时，至少一种固体材料的该一个或多个区域中的平均电场小于该多个真空或气体区域中的平均电场。
2.如权利要求1所述的制品，其中，至少一种固体材料的该一个或多个固体区域包括一个或多个固体绝缘体的三维网络。
3.如权利要求1所述的制品，其中，该多个真空或气体区域的体积介于至少一种固体材料的该一个或多个区域和该多个真空或气体区域的总体积的约10％与约99％之间。
4.如权利要求3所述的制品，其中，该多个真空或气体区域的体积大于至少一种固体材料的该一个或多个区域和该多个真空或气体区域的总体积的约25％。
5.如权利要求1所述的制品，其中，每个真空或气体区域的d’maj与d’min的纵横比小于或等于约1000。
6.如权利要求1所述的制品，其中，该至少一种固体材料的介电常数小于或等于约25。
7.如权利要求1所述的制品，其中，该至少一种固体材料是金属氧化物、金刚石或氮化物中的至少一种。
8.如权利要求1所述的制品，其中，该至少一种固体材料是氧化铝、金刚石、氧化钽、二氧化铪、氧化铌、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅、氮化硼或氮化铝中的至少一种。
9.如权利要求1所述的制品，其中，该气体包括空气、氮气、六氟化硫、氧气、氢气、二氧化碳、全氟化碳或氯氟烃中的一种或多种。
10.如权利要求1所述的制品，其中，该多个真空或气体区域中的该至少一个真空或气体区域的第二平均颗粒尺寸(d’min)为1微米或更小。
11.如权利要求1所述的制品，其中，至少一种固体材料的该至少一个区域的第二平均颗粒尺寸(dmin)为1微米或更小。
12.如权利要求1至11中任一项所述的制品，进一步包括一个或多个电极。
13.如权利要求12所述的制品，其中，这些电极中的至少一个电极在其与该电介质结构相邻的表面上涂覆有绝缘层。
14.如权利要求13所述的制品，其中，该绝缘层是金属氧化物、金刚石或氮化物中的至少一种。
15.如权利要求13所述的制品，其中，该绝缘层是氧化铝、金刚石、氧化钽、二氧化铪、氧化铌、二氧化钛、二氧化硅、氮化铝或氮化硼中的至少一种。
16.如权利要求13所述的制品，其中，该绝缘层通过对该至少一个电极的氧化、阳极氧化或其他化学反应形成。
17.如权利要求12所述的制品，其中，该一个或多个电极包括电极导体，并且其中，该电极导体是金属、半导体材料、液体电解质或固体电解质。
18.如权利要求12所述的制品，其中，该一个或多个电极包括电极导体，并且其中，该电极导体是铝、碳、铪、铌、硅、钛、镍、银、金或钽中的至少一种。
19.如权利要求13所述的制品，其中，涂覆有该绝缘层的该至少一个电极包括单极器件的阴极。
20.如权利要求13所述的制品，其中，该电介质结构的导电层和绝缘层包括双极器件的多于一个电极。
21.如权利要求13所述的制品，其中，该绝缘层小于绝缘层和该电介质结构的总厚度的约10％。
22.如权利要求12所述的制品，其中，该多个真空或气体区域中的平均电场大于约1GV/m。
23.如权利要求12所述的制品，其中，该多个气体或真空区域中的平均电能密度大于至少一种固体材料的该一个或多个区域中的平均电能密度。
24.如权利要求12所述的制品，其中，该电介质结构中的总能量密度大于约0.1J/cm3。
25.如权利要求12所述的制品，其中，该电介质结构中的总能量密度大于约1J/cm3。
26.如权利要求12所述的制品，其中，该电介质结构中的总能量密度大于约10J/cm3。
27.如权利要求12所述的制品，其中，该气体有助于以下各项中的至少一项的反应：
该一个或多个电极以及
至少一种固体材料的该一个或多个区域，
以在电介质故障期间或之后限制电流。
28.如权利要求27所述的制品，其中，该反应是汽化和氧化中的至少一种。
29.如权利要求12所述的制品，进一步包括两个或更多个端子，该两个或更多个端子用于电连接到该一个或多个电极。
30.如权利要求29所述的电容器，其中，该电容器的封装能量密度大于约0.1J/cm3。
31.如权利要求29所述的电容器，其中，该电容器的封装能量密度大于约1J/cm3。
32.如权利要求29所述的电容器，其中，该电容器的封装能量密度大于约10J/cm3。
33.如权利要求12所述的制品，进一步包括至少一条传输线，其中，该至少一条传输线包括至少两个导体。
34.如权利要求12所述的制品，进一步包括至少一条电缆，其中，该至少一条电缆包括至少两个导体。
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