JP6298878B2 - 導電性ナノフィラーをドープした誘電性ポリマーをベースとする非整数次コンデンサ - Google Patents
導電性ナノフィラーをドープした誘電性ポリマーをベースとする非整数次コンデンサ Download PDFInfo
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Description
本出願は、2013年3月14日出願の米国仮特許出願第61/783,373号の利益を主張する。
図1は、誘電性ナノ複合材料層を備える本発明の非整数次コンデンサの断面図である。非整数次コンデンサ(1)は、基板(10)、下側電極(11)、誘電性ナノ複合材料層(12)及び端部電極(13)を含むことができる。非整数次コンデンサは、誘電性ナノ複合材料層を間に挟むことによって基板上に作製でき、2つの導電性電極(11)と(13)との間で、誘電性ナノ複合材料層は、ポリマー・マトリックス、及びフィラー材料としても記載される2次元ナノ材料を含む。
基板(10)を支持体として使用する。本発明の非整数次コンデンサは、様々な基板を使用して作製できる。当業者に公知の多くの更なる基板材料を本発明の非整数次コンデンサ(1)で使用できる。そのような材料の非限定例には、シリコン、プラスチック、紙等の無機材料を含む。他の例には、ポリエーテルイミド(ULTEM、EXTEM、SILTEM等)、ポリ(エチレンテレフタレート)、ポリ(ブチレンテレフタレート)、ポリカーボネート(LEXAN等)、ポリ(フェニレンオキシド)、ポリオレフィン、ポリスチレン及びポリ(塩化ビニル)を含む、SABICポリマー並びにこれらのコポリマー及び配合物をベースとする基板を含むことができる。非整数次コンデンサは、シリコン基板上のみならず金属電極上でもデバイスを等しく機能させることがわかっている。基板は、典型的には、熱又は有機溶剤によって容易に改質又は劣化しない材料から作製される。
下側電極(11)は、導電性材料製である。典型的には、下側電極(11)は、そのような材料を使用する膜の形成により得られる(例えば真空蒸着、スパッタリング、イオンめっき、めっき、被覆等)。代替的に、基板は、高導電性ポリマー(ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン):ポリ(スチレンスルホン酸)、約4%ジメチルスルホキシド(DMSO)をドープしたPEDOT:PSS CleviosPH−1000(Heraeus)の薄層で被覆でき、この薄層が底部電極として働く。導電性膜の形成に使用できる導電性材料の他の非限定例には、金、白金、銀、アルミニウム及び銅、イリジウム、酸化イリジウム等を含む。更に、導電性ポリマー材料の非限定例には、PEDOT:PSS、ポリアニリン、グラフェン等の導電性ポリマーを含む。下側電極(11)の膜厚は、典型的には20nmから500nmの間である。
図2は、下側電極(11)と上側電極(13)との間に挿入した誘電性ナノ複合材料層(12)の断面図である。誘電性ナノ複合材料層(12)は、フィラー材料(15)及びポリマー材料(14)を含む。一例では、誘電性ナノ複合材料層(12)は、非酸化グラフェンでも部分酸化グラフェンでもよいフィラー材料としてのグラフェン、及びポリマー(14)を使用する配合溶液とすることができる。ポリマー(14)を有するグラフェンの濃度は、0.1wt%から15wt%の間である。グラフェン合成の非限定例は、修正Hummer法(DOI:10.1021/ja01539a017)に従ってグラファイトから酸化グラファイトを調製すること、又は酸化グラファイトを剥離して酸化グラフェンを形成し、その後ヒドラジン一水和物により還元することを含む(DOI:10.1016/j.carbon.2011.02.071)。
図2を参照すると、非整数次コンデンサ(1)は、フィラー材料(15)及びポリマー(14)の誘電性ナノ複合材料層(12)を2つの導電性電極の間に配置することによってシリコン基板上に作製される。Pt被覆シリコン基板を使用し、この基板はデバイス作製の前にアセトン、IPA及びDI水で洗浄できる。0.1から15wt.%のグラフェン粉末を所望の充填量に従って計量し、次に、溶液中に懸濁させ、1〜10時間、超音波処理できる。ポリマー(14)を溶液に添加し、連続撹拌する。グラフェン/ポリマー溶液を1〜300分の間で4回超音波処理すると、ポリマー溶液中グラフェン懸濁液がもたらされ、キャスティングの準備ができる。
コンデンサは、集積回路内における重要な素子の1つであり、多くの電子デバイス内で広範に使用される。本発明の非整数次コンデンサは、従来には利用可能ではなかった電子回路及び方法を実現するのに使用できる。このことには、回路内で必要とする構成要素の数を低減すること、回路の共振周波数を高めること、電子フィルタの周波数応答を成形する際により一層の柔軟性を可能にすること、並びに負性抵抗値及び周波数依存負性抵抗器の実現を可能にすることを含む。こうした上記の利点は、非常に価値のあるものとすることができ、より汎用性のある電子機器回路へのきっかけとなり得る。
本発明を具体的な例としてより詳細に説明する。以下の例は、説明の目的のみで提供し、本発明をいかなるようにも限定することを意図しない。重要ではない様々なパラメータは、本質的に同じ結果をもたらすように変更又は修正できることを当業者は容易に了解するであろう。
非整数コンデンサが周波数に対して一定の位相挙動を呈することを示す損失正接試験を実施した。換言すれば、非整数コンデンサは、周波数に対して一定の損失正接を呈することになる(即ちtan(損失正接)+位相=90°)。例では、異なるグラフェン充填量を有する3つのサンプルを示しており、損失正接及び/又は位相は大きな周波数範囲にわたって一定であることが明らかに観測される。また、図4は、0.75%の充填量よりも2%及び1.75%の充填量がより安定していることを示す(図4を参照)。
本発明の非整数次コンデンサの固有の結果を検証するために、3つの他の静電コンデンサからの更なる損失正接データを取得した。選択した膜は、(1)グラフェンのないP(VDF−TrFE−CFE)、(2)P(VDF−TrFE−CFE)+ポリアニリン(PANI)及び(3)ポリスチレンであった。これらの試験では、結果は、10〜100kHzの間で、P(VDF−TrFE−CFE)ポリマー膜に対して損失正接の有意な変化(約140%の偏差)を示した。このことは、主に、グラフェン・シートがないこと、したがってマイクロコンデンサが形成されないことによる。損失正接の安定性は、明らかに、ポリマー・マトリックス中に導電性グラフェンを添加した効果である(図5を参照)。
P(VDF−TrFE−CFE)に導電性PANI粒子を充填した、異なる複合材料システムを使用して更なる試験を実施した。図6では、これらの膜の性能は、選択した同じ周波数範囲内における損失正接の大きな変動(>130%)を明白に示す。PANI粒子は、グラフェン・シートに対し浸透的な複合材料であるが、かなり低いアスペクト比を有し、RCネットワーク・シミュレーションに必要なマイクロコンデンサ構造に似せることはできない。
従来のポリスチレン・コンデンサ膜も図7において試験した。上記のコンデンサ試験と比較すると損失正接値は約3桁低いが、ポリスチレンは、最大偏差の損失(>400%)を示す。
Claims (16)
- 非整数次コンデンサであって、
第1の側、及び前記第1の側の反対側の第2の側を備える、厚さtの誘電性ナノ複合材料層を備え、前記誘電性ナノ複合材料層は、誘電性ポリマー・マトリックスとともにマイクロコンデンサを形成するため、前記誘導性ポリマー・マトリックス内に分散するグラフェンを含むポリマー・ナノ複合材料を備え;
前記誘電性ナノ複合材料層の前記第1の側に結合した第1の電極層;
前記誘電性ナノ複合材料層の前記第2の側に結合した第2の電極層;
を備え、
前記マイクロコンデンサは、前記誘電性ナノ複合材料層をとおして前記第1の電極層から前記第2の電極層に伝わる電子信号に複素インピーダンス位相角を注入するよう形成され、さらに、
前記グラフェンの材料重量パーセンテージは、前記誘電性ナノ複合材料層の全重量に基づき、1.75%から2%の間を含む、
ことを特徴とする非整数次コンデンサ。 - 前記グラフェンは部分酸化グラフェンである、請求項1に記載の非整数次コンデンサ。
- 前記グラフェンは完全未酸化グラフェンである、請求項1に記載の非整数次コンデンサ。
- 前記第1の電極層及び前記第2の電極層は、導電性材料を含む、請求項1に記載の非整数次コンデンサ。
- 前記第1の電極層は白金を含み、前記第2の電極層はアルミニウムを含む、請求項4に記載の非整数次コンデンサ。
- 前記第1の電極層及び前記第2の電極層は、PEDOT:PSSを含む、請求項4に記載の非整数次コンデンサ。
- 0°から−90°の間の複素インピーダンス位相角を含む、請求項1に記載の非整数次コンデンサ。
- 前記電子信号の周波数に対してほぼ一定である損失正接を含む、請求項1に記載の非整数次コンデンサ。
- 前記非整数次コンデンサは、10kHzから2MHzの間の周波数に対し非整数的な挙動を呈する、請求項1に記載の非整数次コンデンサ。
- プリント回路板に備えられる、請求項1に記載の非整数次コンデンサ。
- 前記非整数次コンデンサは、通信回路の少なくとも一部分を構成する、請求項10に記載の非整数次コンデンサ。
- 前記非整数次コンデンサは、感知回路の少なくとも一部分を構成する、請求項10に記載の非整数次コンデンサ。
- 前記非整数次コンデンサは、制御回路の少なくとも一部分を構成する、請求項10に記載の非整数次コンデンサ。
- 集積回路に備えられる、請求項1に記載の非整数次コンデンサ。
- 前記非整数次コンデンサは、通信回路の少なくとも一部分を構成する、請求項14に記載の非整数次コンデンサ。
- 電子デバイスに備えられる、請求項1に記載の非整数次コンデンサ。
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