DE102010013492A1

DE102010013492A1 - Nanostrukturkondensator

Info

Publication number: DE102010013492A1
Application number: DE102010013492A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Arne-Christian Voigt
Current assignee: VOIGT, ARNE-CHRISTIAN, DE
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-06

Abstract

Die Erfindung ist auf einen Kondensator mit einem Grundkörper, der eine äußere Begrenzungsfläche und eine inneren Struktur (2) aufweist, gerichtet, wobei an dem Grundkörper mindestens ein erster elektrisch leitfähiger Kondensatoranteil und mindestens ein zweiter elektrisch leitfähiger Kondensatoranteil, die voneinander elektrisch isoliert sind, ausgebildet sind. Erfindungsgemäß ist durch die innere Struktur (2) eine innere Oberfläche ausgebildet, die um ein vielfaches größer ist als die äußere Begrenzungsfläche, wobei die innere Struktur (2) zumindest abschnittsweise porös ausgebildet ist und zumindest teilweise aus Silizium und/oder Aluminium besteht.

Description

Die Erfindung ist auf einen Kondensator, insbesondere einen Nanostrukturkondensator, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators, insbesondere eines Nanostrukturkondensators, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 10 gerichtet.
Kondensatoren werden zur Speicherung von Energie verwendet. Die Speicherung von Energie ist in vielen verschiedenen Produkten, wie z. B. Fahrzeugen, Mobiltelefone, Laptops, und ähnlichem, Anlagen, wie z. B. Wasseraufbereitungsanlagen, Kraftwerken, und ähnlichem und Prozessen, wie z. B. der dauerhaften Bereitstellung von Energie bei heterogener Energieerzeugung und ähnlichem eine wesentliche Voraussetzung für die Effizienz und Akzeptanz dieser Systeme.
Die bekannten Kondensatoren sind jedoch für die Anwendung in derartigen Produkten, Anlagen und Prozessen oft ungeeignet bzw. deren Verwendung führt nur zu unbefriedigenden Ergebnissen, da sie in Bezug auf ihre Bauform bzw. Baugröße lediglich eine sehr begrenzte Menge an Energie speichern können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kondensator und ein Herstellverfahren zur Herstellung derartiger Kondensatoren bereit zu stellen, der geeignet ist eine signifikant größere Menge an Energie zu speichern.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Kondensator mit mindestens einem Grundkörper, der eine äußere Begrenzungsfläche und eine inneren Struktur aufweist, wobei durch den Grundkörper mindestens ein erster elektrisch leitfähiger Kondensatoranteil und mindestens ein zweiter elektrisch leitfähiger Kondensatoranteil, der gegenüber dem ersten Kondensatoranteil elektrisch isoliert ist, ausgebildet sind.
Erfindungsgemäß ist durch die innere Struktur eine innere Oberfläche ausgebildet, die um ein Vielfaches größer ist als die äußere Begrenzungsfläche, wobei die innere Struktur zumindest abschnittsweise porös ausgebildet ist und zumindest teilweise aus Silizium und/oder Aluminium besteht.
Besonders bevorzugt sind der erste und der zweite Kondensatoranteil durch die innere Struktur ausgebildet und/oder darauf bzw. daran angeordnet.
Dies ist vorteilhaft, da ein derartiger Kondensator eine sehr große Oberfläche aufweist und daher die Möglichkeit bietet eine große Menge an Energie zu speichern. Ferner ist eine poröse Struktur mechanisch äußerst hoch belastbar und daher sehr stabil.
Porös beschreibt dabei bevorzugt eine schwammartige Struktur, die z. B. teilweise heterogen und/oder teilweise homogen ausgebildet ist. Es ist daher denkbar, dass einzelne oder alle Oberflächenanteile der inneren Struktur eben oder sphärisch ausgebildet sind, besonders bevorzugt weisen einzelne Oberflächenanteile jedoch sphärische und ebene Abschnitte auf. Eine zumindest teilweise homogen ausgebildete Struktur kann z. B. durch das Anordnen bzw. die Ausbildung einer Vielzahl an Nanoröhrchen gegeben sein. Die zwischen den Nanoröhrchen ausgebildeten Zwischenräume können daher ebenfalls als Poren und somit eine poröse bzw. schwammartige Struktur ausbildend verstanden werden.
Die äußere Begrenzungsfläche ist bevorzugt die gesamte Oberfläche des Grundkörpers, welche die Umgebung bzw. den Grundkörper gegenüber weiteren Einrichtungen, Schichten, Materialien und/oder ähnlichen abgrenzt. Die äußere Begrenzungsfläche kann ebenfalls zur Speicherung von Energie verwendet werden bzw. Teil, insbesondere begrenzender Teil, der inneren Struktur sein bzw. dieser zugerechnet werden.
Die Materialien Silizium und Aluminium bieten die Vorteile, dass sie sehr weit verbreitet und daher kostengünstig sind. Ferner ist deren Wiederverarbeitung und somit die Einsparung von Energie bei der Herstellung von Kondensatoren ebenfalls sehr gut möglich. Die innere Struktur kann z. B. durch Ätzen, insbesondere elektrochemisches Ätzen, und/oder Abschrecken des jeweiligen Materials erzeugt werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem Silizium zumindest abschnittsweise um makroporöses, mesoporöses, mikroporöses und/oder nanoporöses Silizium.
Das Aluminium ist bevorzugt bereits vor dem Bearbeiten und besonders bevorzugt nach einem Bearbeitungsschritt poröses Aluminium, das seine Struktur bevorzugt durch Selbstorganisation erhält. Die Größe der Poreninnenräume ist bevorzugt kleiner 1 μm und vorzugsweise zwischen 10 nm und 500 nm.
Es ist ebenfalls denkbar, dass eine Vielzahl erster und zweiter Kondensatoranteile vorgesehen ist. Es ist hierbei lediglich erforderlich, dass die ersten und zweiten Kondensatoranteile jeweils elektrisch voneinander isoliert sind. Der erste Kondensatoranteil kann daher als die innere Struktur und/oder eine Schicht ausgebildet sein und ebenfalls über dem zweiten Kondensatoranteil angeordnet sein. Es ergibt sich dadurch ein mehrschichtiger Kondensator.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die innere Struktur zumindest teilweise elektrisch leitend.
Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da durch eine elektrisch leitende innere Struktur zumindest teilweise ein erster Kondensatoranteil ausgebildet ist. Denkbar ist jedoch, dass weitere elektrisch leitende Schichten direkt auf den ersten Kondensatoranteil aufgebracht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die elektrisch leitende innere Struktur und/oder die elektrisch leitende Schicht zumindest teilweise dotiert.
Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da mittels Dotieren ein nicht leitender Werkstoff auf einfache Weise leitend gemacht werden kann. Die Form des Werkstoffs bzw. die durch den Werkstoff ausgebildete Struktur wird dabei bevorzugt nicht verändert.
Der erste und/oder der zweite Kondensatoranteil können jedoch ebenfalls durch geeignete Bearbeitung in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit verbessert werden. Dies ist neben anderem beispielsweise mittels Bearbeitungen ausgewählt aus der Gruppe zumindest bestehend aus chemischer Reaktion, Temperaturbehandlung, insbesondere Wärme und/oder Kältebehandlung, Feldbeaufschlagung, insbesondere elektrische, elektromagnetische, magnetische Feldbeaufschlagung, Druckbehandlung, ähnlichem und/oder Kombinationen daraus möglich.
Durch das Dotieren kann eine Materialmenge im Bereich zwischen 0.1 ppm und 1000 ppm, bevorzugt zwischen 0,1 ppm und 100 ppm eingebracht werden. Als Dotierungsverfahren können neben anderen bevorzugt Diffusion, Elektrophorese, Sublimation aus der Gasphase und/oder der Beschuss mittels hochenergetischen Teilchenkanonen unter Vakuum (Ionenimplantation) verwendet werden. Bei Si und Ge erfolgt bevorzugt eine p-Dotierung, d. h. mit Elementen aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise Bor, Indium, Aluminium oder Gallium, oder eine n-Dotierung, d. h. mit Elementen aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise Phosphor, Arsen oder Antimon.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein elektrisch leitender Grundkörperabschnitt eine elektrisch leitende Schicht, die mit der inneren Struktur verbunden und/oder zwischen den Kondensatoranteilen angeordnet ist, wobei der erste Kondensatoranteil die innere Struktur und/oder der elektrisch leitende Grundkörperabschnitt ist.
Verbunden beschreibt hierbei bevorzugt eine wirkverbundene Anordnung und besonders bevorzugt eine Anordnung, in welcher der elektrisch leitende Grundkörperabschnitt direkt auf der inneren Struktur angeordnet ist oder Bestandteil der inneren Struktur bzw. des die innere Struktur bildenden Werkstoffs ist.
Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da z. B. jedes beliebige Material verwendet werden kann, um die innere Struktur auszubilden. Es können daher z. B. auch nichtleitende Materialien, wie z. B. Silizium verwendet werden, um die innere Struktur bereitzustellen, auf die eine bzw. mehrerer elektrisch leitende Schichten aufbringbar sind. Es kann somit zur Ausbildung einer möglichst optimalen inneren Struktur ein erster Werkstoff verwendet werden und zur Erzeugung der elektrisch leitfähigen Eigenschaft ein weiterer optimal dazu geeigneter Werkstoff verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der elektrisch leitende Grundkörperanteil durch mindestens einen weiteren zumindest teilweise elektrisch isolierenden Grundkörperabschnitt, insbesondere eine SiO2-Schicht, und/oder mindestens einer über dem elektrisch leitenden Grundkörperanteil ausgebildeten zumindest teilweise elektrisch isolierenden Schicht, insbesondere zumindest teilweise aus einem Dielektrikum bestehend, gegenüber mindestens einem Innenraum bzw. dem Poreninnenraum der porösen inneren Struktur abgegrenzt.
Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da durch den elektrisch leitenden Grundkörperanteil die elektrische Isolation des ersten und des zweiten Kondensatoranteils erzeugbar bzw. vorsehbar ist.
Der elektrisch isolierende Grundkörperabschnitt ist ein Bestandteil der inneren Struktur und ist z. B. durch eine spezielle Behandlung, z. B. thermisch, mit Feldern, chem. Reaktion, Strahlung und/oder ähnlichem erzeugt. Weiterhin kann der elektrisch isolierende Grundkörperabschnitt aus einer Vielzahl an elektrisch isolierenden Schichten bestehen, wobei eine dieser Schichten z. B. ein Bestandteil der inneren Struktur ist und mindestens eine weitere Schicht eine auf der inneren Struktur angeordnete bzw. darauf aufgebrachte Schicht ist.
Als Innenraum bzw. Poreninnenraum ist hierbei bevorzugt jeder tatsächliche Raum aber auch zweidimensionale Öffnungen, Durchgänge und der Bereich zwischen sich zumindest abschnittsweise gegenüberliegenden Wandungsbereichen der inneren Struktur zu verstehen.
Die SiO₂-Schicht kann z. B. durch das Erhitzen des Grundkörpers erzeugt werden. Bevorzugt ist eine derartige SiO₂-Schicht bzw. jede Isolationsschicht eine Dicke von einer Monolage bis zu 100 nm aufweisen kann.
Es ist ebenfalls denkbar, dass die elektrisch isolierende Schicht bzw. der elektrisch isolierende Grundkörperabschnitt aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe zumindest bestehend aus Siliziumdioxid, Oxinitride, MgNb₂O₆, ZnNb₂O₆, MgTa₂O₆, ZnTa₂O₆, (ZnMg)TiO₃, (ZrSn)TiO₄, Ba₂Ti₉O₂₀, Zirconiumtitanat, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Lithiumniobat, LiNbO₃, Titanoxid, Erdalkalititanate, Aluminiumoxid, Si/SiO₂/Al, Aluminiumoxid als Dielektrikum, Tantal-Pentoxid als Dielektrikum (Tantal(V)-oxid (Ta₂O₅)), Niob-Pentoxid als Dielektrikum, vorzugsweise Siliziumoxid, bevorzugt High-k-Dielektrikum, Oxinitride, wie z. B. amorphe Oxide von Metallen (z. B. Al₂O₃, Ta₂O₅), Übergangsmetallen (z. B. HfO₂, ZrO₂) (HfO₂: Hafnium(IV)-Oxid (εr = 25)), Mischoxide, z. B. Hafniumsilikat und Zikoniumsilikat, kristalline Oxide Seltener Erden (z. B. Pr₂O₃, Gd₂O₃ und Y₂O₃) vorzugsweise Strontumtitanat und/oder Bariumtitanat, paraelektrischer Grundstoffe, wie TiO₂ modifiziert durch Beimengungen von Zn, Zr, Nb, Mg, Ta, Co und/oder Sr, ferroelektrischen Materialien oder anti-ferroelektrische Materialien, wie z. B. Strontiumtitanat, Bariumtitanat, Pb(Zr, Ti)O₃, BaTiO₃, (Bi, La)₄Ti₃O₁₂ und SrBi₂Ta₂O₉, Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ (PZT, d. h. Blei-Zirkonat-Titanat), Aluminium-Silikate, Magnesium-Silikate und/oder Aluminiumoxide, paraelektrischer Grundstoffe, wie TiO₂ und/oder ferroelektrischer Grundstoffe, wie BaTiO₃, modifiziert durch Beimengungen von Zr, Nb, Mg, Co und Sr, ferroelektrischen Materialien, wie z. B. ferroelektrische Perowskit-Materialien, wie Pb(Zr, Ti)O₃, BaTiO₃, (Bi, La)₄Ti₃O₁₂ und SrBi₂Ta₂O₉, Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ (PZT, d. h. Blei-Zirkonat-Titanat), organische Schicht/en, Kunststoff oder Kunststoffmischungen, ähnlichem und/oder Kombinationen daraus besteht. Es ist zudem denkbar, dass die zuvor genannten Materialien oder deren Kombinationen ebenfalls dotiert sein können bzw. dotiert werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist durch den elektrisch isolierenden Grundkörperabschnitt oder die elektrisch isolierende Schicht eine weitere elektrisch leitende Schicht, welche den zweiten Kondensatoranteil ausbildet, zumindest teilweise von dem elektrisch leitenden Grundkörperanteil beabstandet.
Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da durch die Beabstandung der elektrischen Schichten mindestens zwei und bevorzugt mehr als vier und besonders bevorzugt mehr als acht oder beliebig viele Kondensatorplatten bzw. Kondensatoranteile ausbildbar sind bzw. ausgebildet sind.
Bevorzugt besteht die elektrisch isolierende Schicht zumindest teilweise und besonders bevorzugt vollständig aus einem Ferroelektrika. Es ist ebenfalls denkbar, dass sonstige Stoffe Oxide aufweisen, die als Isolator verwendet werden bzw. sich mit den Sauerstoff der SiO₂-Schicht verbinden und dadurch erst nach einer chemischen Reaktion einen Isolator ausbilden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die weitere elektrisch leitende Schicht als Teil der elektrisch isolierenden Schicht oder auf der elektrisch isolierenden Schicht ausgebildet bzw. damit verbunden.
Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da durch die teilweise elektrisch leitende Ausbildung der isolierenden Schicht auf sehr kleinem Raum eine weitere elektrisch leitende Schicht erzeugt werden kann bzw. vorgesehen ist. Ferner ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn die weitere elektrisch leitende Schicht auf der elektrisch isolierenden Schicht angeordnet ist bzw. mit dieser in Verbindung ist, da so ein hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit, den Kosten und der Verarbeitbarkeit optimal ausgewählter Werkstoff, wie z. B. ein Material ausgewählt aus der Gruppe aus Materialien zumindest bestehend aus Aluminium, Blei, Eisen, Gold, Kupfer, Magnesium, Wolfram, Zink, Zinn, Braunstein (fest), aus leitfähigem Polymer oder aus einer Salzschmelze, die eine flüssige Lösung von Ionen ist und die in einem Temperaturbereich von bevorzugt unter 150°C flüssig ist, besteht zumindest teilweise aus Säuren, Basen oder Salzen, wobei eine leitfähige Flüssigkeit z. B. Schwefelsäure, Kalilauge oder organische Elektrolyten ist, dotierten Halbleitern, Silizium, Germanium, III-V-Verbindungshalbleiter, Nitride: GaN, AlN, InN, Phosphide: GaP, AlP, InP, Arsenide: GaAs, AlAs, InAs (Indiumarsenid), Mischformen, z. B. Aluminiumgalliumarsenid, Indiumgalliumnitrid und/oder Indiumgalliumarsenid, II-VI-Verbindungshalbleiter, Sulfide (z. B. ZnS (Zinkblende), CdS), Selenide (z. B. ZnSe, CdSe), Telluride (z. B. CdTe, ZnTe, BeTe), ternäre Verbindungen, wie (Zn, Cd)Se, Zn(S, Se), (Be, Zn)Se oder (Be, Cd)Se, Dotierung durch Elemente der 3. oder 7. Hauptgruppe oder Gruppe-15-Elemente, insbesondere Si, GaAs, ZnSe, InP, Flüssigkeiten oder Elektrolyte, organische Lösungen aus speziellen Salzen (sog. quaternäre Salze) mit einer Dissoziationsspannung von bevorzugt über 2,5 V oder wässerige Elektrolyte mit KOH oder Schwefelsäure (H₂SO₄) (Dissoziations-Spannung bevorzugt über 1,2 V), ähnlichem und/oder Kombinationen daraus aufbringbar ist. Es ist zudem denkbar, dass die zuvor genannten Materialien oder deren Kombinationen ebenfalls dotiert sein können bzw. dotiert werden können.
Es ist ebenfalls denkbar, dass auf dem elektrisch isolierenden Grundkörperabschnitt und/oder auf der elektrisch isolierenden Schicht bzw. den elektrisch isolierenden Schichten eine weitere elektrisch leitende Schicht bzw. mehrere weitere elektrisch leitende Schichten aufgebracht bzw. erzeugbar sind.
Erzeugbar bedeutet z. B. die zumindest teilweise Veränderung einer bestehenden Schicht, d. h., dass die bestehende Schicht elektrisch leitend gemacht wird oder ihre elektrische Leitfähigkeit verbessert wird. Hierzu können z. B. Behandlungen ausgewählt aus der Gruppe zumindest bestehend aus chemischer Reaktion, Temperaturbehandlung, insbesondere Wärme- und/oder Kältebehandlung, Feldbeaufschlagung, insbesondere elektrische, elektromagnetische, magnetische Feldbeaufschlagung, Druckbehandlung, ähnlichem und/oder Kombinationen daraus verwendet werden. Besonders bevorzugt ist die weitere elektrisch leitende Schicht durch zumindest teilweises Dotieren der elektrisch isolierenden Schicht erzeugbar bzw. erzeugt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die weitere elektrisch leitende Schicht zumindest teilweise aus einem fluidischen, insbesondere flüssigen oder gasförmigen, oder festen Elektrolyt.
Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da ein fluidisches, insbesondere flüssiges Elektrolyt sehr einfach in die innere Struktur einbringbar ist. Das Einbringen eines flüssigen Elektrolyts wird z. B. durch die Poren, insbesondere durch den Kapillareffekt, unterstützt. Fluidische oder feste Elektrolyte können aber auch einem Vakuum ausgesetzt werden und sich dann mittels einer chemischen Reaktion mit der jeweiligen elektrisch isolierenden Schicht bzw. dem jeweiligen elektrisch isolierenden Grundkörperabschnitt verbinden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die innere Oberfläche größer oder gleich 1 m² pro cm³ des Grundkörpers, bevorzugt größer oder gleich 2 m²/cm³ und besonders bevorzugt größer oder gleich 5 m²/cm³.
Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da, je größer die Fläche pro Volumeneinheit des Grundkörpers ist, desto größer ist die maximal speicherbare Energiemenge bzw. desto kleiner können die Kondensatoren zur Speicherung einer definierten Energiemenge ausgelegt sein bzw. werden.
Die Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensators gerichtet, das zumindest die Schritte des Erzeugens einer porösen inneren Struktur eines den Kondensator zumindest teilweise ausbildenden Grundkörpers, die eine innere Oberfläche aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als die Begrenzungsfläche des Grundkörpers und die zumindest teilweise aus Silizium und/oder Aluminium besteht, des Erzeugens und/oder des Aufbringens einer elektrisch isolierenden Schicht zum zumindest teilweisen Abgrenzen der inneren Struktur gegenüber dem Poreninnenraum und des Erzeugen und/oder des Aufbringens einer weiteren elektrisch leitenden Schicht, die mit der elektrisch isolierenden Schicht verbunden ist, umfasst.
Im Allgemeinen erfolgt somit z. B. die Verwendung eines Materials, das einen Grundkörper ausbildet, mit einer großen Oberfläche bzw. die Erzeugung der großen Oberfläche in dem Material. Auf dieses Material wird bevorzugt eine nichtleitende Schicht aufgebracht, die bevorzugt eine sehr hohe Dielektrizitätszahl aufweist, auf der wiederum ein zweites elektrisch leitfähiges Material, das in fester, gasförmiger oder flüssiger Form vorliegen kann, aufgebracht oder eingebracht wird. Es ist ebenfalls denkbar, dass der Werkstoff bzw. die innere Struktur und/oder die elektrisch isolierende Schicht zumindest teilweise leitend gemacht werden bzw. deren Leitfähigkeit erhöht wird, dies erfolgt bevorzugt mittels dotieren. Sollte der Grundkörper bzw. das Material dotiert werden, dann kann dies vor oder nach dem Erzeugen der porösen inneren Struktur erfolgen. Auf die elektrisch isolierende Schicht wird ferner eine weitere elektrisch leitende Schicht aufgebracht.
Es sei angemerkt, dass die Herstellung, Erzeugung bzw. Aufbringung der einzelnen Schichten mittels epitaktischem Wachstum, d. h. Epitaxie, insbesondere Flüssigphasenepitaxie (LPE liquid Phase epitaxy), Molekularstrahlepitaxie (MBE, molecular beam epitaxy), Hybridgasphasenepitaxie (HVPE, hybrid vapor Phase epitaxy), Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE, metal organic vapor Phase epitaxy), Gepulste Laserdeposition (PLD – Pulsed Laser Deposition), durchführbar ist.
Als Abscheidemethoden können neben anderen vor allem gepulste Laserdeposition (PLD), die Chemische Lösungsabscheidung (CSD), sowie hydrothermale und/oder templat-basierte Methoden Anwendung finden.
Nach dem Erzeugen des Kondensators können die einzelnen Kondensatoranteile mit Anschlüssen versehen werden. Der erste Kondensatoranteil kann bevorzugt zu jedem denkbaren Zeitpunkt mit Anschlüssen versehen werden, dies ist insbesondere dann möglich, wenn die innere Struktur elektrisch leitend ist. Mittel diesen Anschlüssen kann dem Kondensator Elektrizität zugeführt und von diesem abgeführt werden.
Weiterhin ist vorstellbar, dass der Grundkörper zumindest teilweise von einer Ummantelung eingefasst bzw. umgeben ist. Dies hat den Vorteil, dass er durch die Ummantelung gegen Vibrationen, Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen, chemische Einflüsse, mechanische Belastungen, elektrische, elektromagnetischen und/oder magnetische Felder, Strahlung, ähnlichem und/oder Kombinationen daraus geschützt ist.
Sollte auf der inneren Struktur eine leitende Schicht aufgebracht sein, dann kann diese und/oder die weitere leitende Schicht neben anderem aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe aus Materialien zumindest bestehend aus Aluminium, Blei, Eisen, Gold, Kupfer, Magnesium, Wolfram, Zink, Zinn, Braunstein (fest), aus leitfähigem Polymer oder aus einer leitfähigen Flüssigkeit (z. B. Schwefelsäure), dotierten Halbleitern, Silizium, Germanium, III-V-Verbindungshalbleiter, Nitride: GaN, AlN, InN, Phosphide: GaP, AlP, InP, Arsenide: GaAs, AlAs, InAs (Indiumarsenid), Mischformen, z. B. Aluminiumgalliumarsenid, Indiumgalliumnitrid und/oder Indiumgalliumarsenid, II-VI-Verbindungshalbleiter, Sulfide (z. B. ZnS (Zinkblende), CdS), Selenide (z. B. ZnSe, CdSe), Telluride (z. B. CdTe, ZnTe, BeTe), ternäre Verbindungen, wie (Zn, Cd)Se, Zn(S, Se), (Be, Zn)Se oder (Be, Cd)Se, Dotierung durch Elemente der 3. oder 7. Hauptgruppe oder Gruppe-15-Elemente, insbesondere Si, GaAs, ZnSe, InP, Flüssigkeiten oder Elektrolyte, organische Lösungen aus speziellen Salzen (sog. quaternäre Salze) mit einer Dissoziationsspannung von bevorzugt über 2,5 V oder wässerige Elektrolyte mit KOH oder Schwefelsäure (H₂SO₄) (Dissoziations-Spannung bevorzugt über 1,2 V), Salzschmelze, insbesondere ionische Flüssigkeit, ähnlichem und/oder Kombinationen daraus ausgewählt sein.
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnungen erläutert, in welchen beispielhaft Kondensatorenteile dargestellt sind. Elementen des Kondensators, welche in den Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sein, wobei diese Bauteile nicht in allen Figuren beziffert oder erläutert sein müssen.
Darin zeigen:
1 Eine beispielhafte Darstellung der porösen inneren Struktur des Kondensators;
2 einen ersten beispielhaften Schichtaufbau des Kondensators;
3 einen zweiten beispielhaften Schichtaufbau des Kondensators; und
4 einen weiteren beispielhaften Schichtaufbau des Kondensators.
In 1 ist die innere Struktur 2 des Kondensatorausschnitts 1 als eine schwammartige poröse Struktur ausgebildet. Diese Darstellung ist höchst beispielhaft. Es ist selbstverständlich denkbar, dass die Streuung unterschiedlich großer und geformter Poren 4 ebenfalls größer bzw. kleiner sein kann. Bevorzugt sind die Poren 4 im Wesentlichen homogen ausgeführt.
In den 2 bis 4 sind Beispiele für den Schichtaufbau wiedergegeben, wie er auf der inneren Struktur 2 bzw. mit der inneren Struktur 2 als Gerüst ausgebildet sein kann. Es sei hierbei angemerkt, dass die dargestellten Schichtdicken bzw. die Dicke der inneren Struktur 2 lediglich schematisch angegeben sind und daher beliebig variierbar sind. So ist denkbar, dass die innere Struktur 2 die dünnste Schicht ausbildet, alle Schichten im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen oder eine der Schichten ein Vielfaches der Dicke einer der anderen Schichten aufweist. Es ist ebenfalls vorstellbar, dass die innere Struktur 2 nicht nur auf einer Seite beschichtet ist, sondern beidseitig beschichtet ist. Ferner können eine beliebige Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter elektrisch leitender Schichten und elektrisch isolierender Schichten übereinander angeordnet sein.
2 zeigt einen Schichtaufbau, gemäß dem die innere Struktur 2 eine elektrisch leitende Schicht und somit einen ersten elektrisch leitfähigen Kondensatoranteil ausbildet. Die innere Struktur 2 besteht dabei bevorzugt zumindest teilweise aus Silizium und/oder Aluminium. Es ist denkbar, das die innere Struktur 2 aus einem elektrisch leitenden Material besteht oder durch Dotierung elektrisch leitend gemacht wurde. Auf der inneren Struktur 2 ist eine elektrisch isolierende Schicht 6a angeordnet, auf der eine zweite elektrisch leitende Schicht 8 und somit ein zweiter elektrisch leitender Kondensatoranteil angeordnet bzw. ausgebildet ist.
In 3 ist ein weiterer beispielhafter Schichtaufbau gezeigt. Gemäß dieser Darstellung ist die innere Struktur 2 zumindest teilweise elektrisch leitend ausgebildet und bildet somit wiederum den ersten Kondensatoranteil aus, weiterhin weist sie ebenfalls einen elektrisch nichtleitenden Abschnitt 6b auf bzw. bildet einen elektrisch nichtleitenden Abschnitt 6b aus.
Dieser elektrisch nichtleitende Abschnitt 6b kann z. B. eine SiO₂ Schicht sein, die z. B. durch eine Wärmebehandlung erzeugt wurde. Auf dem elektrisch nichtleitenden Abschnitt 6b ist wiederum eine elektrisch leitende Schicht angeordnet, die wiederum den zweiten Kondensatoranteil bildet.
In 4 ist im Wesentlichen der in 3 gezeigte Aufbau dargestellt. Gemäß der Darstellung der 4 ist jedoch auf dem nichtleitenden Abschnitt 6b der 3 mindestens eine weitere elektrisch isolierende Schicht 6a aufgebracht.
In 5 ist eine nichtleitende innere Struktur 2 mit einer ersten darauf angeordneten elektrisch leitenden Schicht 10, welche den ersten Kondensatoranteil ausbildet, dargestellt. Auf der ersten elektrisch leitenden Schicht 10 sind z. B. entsprechend 2 die elektrisch isolierende Schicht 6a und die zweite elektrisch leitende Schicht 8 angeordnet bzw. ausgebildet.
Der Anmelder behält sich vor, dass sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich beansprucht werden können, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste

1: Kondensatorausschnitt
2: innere Struktur
4: Pore bzw. Innenraum der Pore
6a: elektrisch isolierende Schicht
6b: elektrisch isolierender Abschnitt
8: zweite elektrisch leitende Schicht
10: erste elektrisch leitende Schicht

Claims

Kondensator mit mindestens einem Grundkörper, der eine äußere Begrenzungsfläche und eine inneren Struktur (2) aufweist, wobei durch den Grundkörper mindestens ein erster elektrisch leitfähiger Kondensatoranteil und mindestens ein zweiter elektrisch leitfähiger Kondensatoranteil, der gegenüber dem ersten Kondensatoranteil elektrisch isoliert ist, ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass durch die innere Struktur (2) eine innere Oberfläche ausgebildet ist, die um ein vielfaches größer ist als die äußere Begrenzungsfläche, wobei die innere Struktur (2) zumindest abschnittsweise porös ausgebildet ist und zumindest teilweise aus Silizium und/oder Aluminium besteht.
Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Struktur (2) zumindest teilweise elektrisch leitend ist.
Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende innere Struktur (2) dotiert ist.
Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitender Grundkörperabschnitt eine elektrisch leitende Schicht (10) ist, die mit der inneren Struktur (2) verbunden ist, wobei der erste Kondensatoranteil die innere Struktur (2) und/oder der elektrisch leitende Grundkörperabschnitt ist.
Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitende Grundkörperanteil (10) durch mindestens einen weiteren zumindest teilweise elektrisch isolierenden Grundkörperabschnitt und/oder mindestens einer über dem elektrisch leitenden Grundkörperanteil ausgebildeten zumindest teilweise elektrisch isolierenden Schicht (6a, 6b) gegenüber mindestens einem Innenraum (4) der porösen Innenstruktur abgegrenzt ist.
Kondensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch den elektrisch isolierenden Grundkörperabschnitt oder die elektrisch isolierende Schicht (6a, 6b) eine weitere elektrisch leitende Schicht (8), welche den zweiten Kondensatoranteil ausbildet, zumindest teilweise von dem elektrisch leitenden Grundkörperanteil beabstandet ist.
Kondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere elektrisch leitende Schicht (8) als Teil der elektrisch isolierenden Schicht (6a, 6b) oder auf der elektrisch isolierenden Schicht (6a, 6b) ausgebildet ist.
Kondensator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere elektrisch leitende Schicht (8) zumindest teilweise aus einem flüssigen Elektrolyt besteht.
Kondensator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche größer oder gleich 1 m²/cm³, bevorzugt größer oder gleich 2 m²/cm³ und besonders bevorzugt größer oder gleich 5 m²/cm³ ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kondensators, zumindest umfassend die Schritte, des Erzeugen einer porösen inneren Struktur (2) eines den Kondensator zumindest teilweise ausbildenden Grundkörpers, die eine innere Oberfläche aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als die Begrenzungsfläche des Grundkörpers und die zumindest teilweise aus Silizium und/oder Aluminium besteht, des Erzeugen und/oder des Aufbringens einer elektrisch isolierenden Schicht (6a, 6b) zum zumindest teilweisen Abgrenzen der inneren Struktur (2) gegenüber dem Poreninnenraum (4) und des Erzeugen und/oder des Aufbringens einer weiteren elektrisch leitenden Schicht (8), die mit der elektrisch isolierenden Schicht (6a, 6b) verbunden ist.