RU2266585C2 - Электрический конденсатор - Google Patents
Электрический конденсатор Download PDFInfo
- Publication number
- RU2266585C2 RU2266585C2 RU2003125292/09A RU2003125292A RU2266585C2 RU 2266585 C2 RU2266585 C2 RU 2266585C2 RU 2003125292/09 A RU2003125292/09 A RU 2003125292/09A RU 2003125292 A RU2003125292 A RU 2003125292A RU 2266585 C2 RU2266585 C2 RU 2266585C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carrier
- ferroelectric
- nanoparticles
- plates
- capacitor
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к области электротехники и электроники, в частности к устройствам, накапливающим электрические заряды - конденсаторам, и может быть использовано при создании конденсаторов с существенно повышенной электроемкостью. Согласно изобретению в конденсаторе между токопроводящими пластинами помещается разделяющее вещество, используемое в качестве носителя, и введенное в него активное начало в виде наночастиц сегнетоэлектрика. Техническим результатом изобретения является увеличение удельной емкости конденсатора. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к области электротехники и электроники, в частности к устройствам, накапливающим электрические заряды - конденсаторам, и может быть использовано при создании конденсаторов с существенно повышенной электроемкостью.
Широко известны электрические конденсаторы, состоящие из электропроводящих пластин с помещенным между ними слоем диэлектрика [1]. Недостатком указанных конденсаторов является относительно малая удельная электроемкость.
Широко известны также электрические конденсаторы с повышенной по сравнению с [1] удельной электроемкостью, состоящие из электропроводящих пластин с помещенным между ними слоем сегнетоэлектрика [2], которые выбраны в качестве прототипа данного изобретения. Недостатком указанных конденсаторов является также недостаточно высокая удельная электроемкость.
Целью данного изобретения является устранение указанного недостатка и существенное увеличение удельной (на единицу площади, на единицу объема) электроемкости конденсатора.
Указанная цель достигается в предлагаемом электрическом конденсаторе за счет того, что в известном конденсаторе, состоящем из электроконтактных выводов, электропроводящих пластин и помещенного между указанными пластинами разделяющего эти пластины диэлектрического или сегнетоэлектрического вещества, в указанное разделяющее вещество, используемое в качестве носителя, введено активное начало в виде наночастиц из сегнетоэлектрического материала, отличного от материала указанного носителя; а также за счет того, что для работы в цепях постоянного тока указанное активное начало, введенное в указанный носитель, выполненный из сегнетоэлектрического материала, например BaTiO3, представляет собой наночастицы, имеющие форму эллипсоидов вращения с отношением длин полуосей 0,31 из сегнетоэлектрического материала, например из (PbLaBaS)(ZrTi)O3, ориентированные в направлении к указанным пластинам, причем объемная концентрация указанных наночастиц в указанном носителе составляет от 18,5% до 19,5%; а также за счет того, что для работы в электромагнитном поле с длиной волны λ указанное активное начало, введенное в указанный носитель, выполненный из диэлектрического, например кремниевого материала, представляет собой наночастицы, имеющие форму эллипсоидов вращения с отношением длин полуосей 0,31 из сегнетоэлектрического материала, например из BaTiO3, ориентированные в направлении к указанным пластинам и имеющие характерные размеры много меньше λ, причем объемная концентрация указанных наночастиц в указанном носителе составляет от 20,0% до 21,0%.
Сущность заявляемого изобретения изложена в нижеследующем описании.
На фиг.1 представлено схематическое изображение предлагаемого конденсатора, где
1 - электроконтактные выводы,
2 - электропроводящие пластины,
3 - разделяющее вещество (носитель),
4 - активное начало (наночастицы),
5 - направление поляризации электромагнитного поля в конденсаторе.
На фиг.2 представлены зависимости относительного увеличения электроемкости (Р) предлагаемого конденсатора от объемной концентрации в носителе (η) активного начала - наночастиц для различных значений отношения (r) мнимой части диэлектрической функции вещества указанных наночастиц к ее действительной части, равной 50, где
1-r=0,1,
2-r=0,03,
3-r=0,01,
4-r=0,003.
На фиг.3 представлена зависимость относительного увеличения электроемкости (Р) предлагаемого конденсатора, предназначенного для работы в цепях постоянного тока, от объемной концентрации (η) в носителе сегнетоэлектрике с ε=800 его активного начала - сегнетоэлектрических наночастиц частиц с ε=1500.
На фиг.4 представлены зависимости от частоты электромагнитного поля в конденсаторе (ω) относительного увеличения электроемкости (Р) предлагаемого конденсатора при объемной концентрации (η) в носителе его активного начала - наночастиц частиц, имеющих форму эллипсоидов вращения с отношением длин полуосей 0,31, равной 21%, для различных значений отношения (r) мнимой части диэлектрической функции вещества указанных частиц к ее действительной части, равной 50, где
2-r=0,03,
3-r=0,01,
4-r=0,003.
Пунктиром обозначено Р=1.
Известно, что С=εС0, где
С - электроемкость конденсатора с веществом между пластинами, имеющим значение диэлектрической функции ε, a
С0 - электроемкость конденсатора с вакуумным зазором между пластинами.
В случае введения в разделяющее вещество, служащее в качестве носителя, активного начала - наночастиц при определенной объемной концентрации указанных частиц, их размере, форме, материале и частоте электромагнитного поля, в которой работает конденсатор, т.к. значение диэлектрической функции - εη оказывается значительно выше таковых для материала носителя εc и материала частиц εp, электроемкость конденсатора существенно увеличивается. Действительно, рассмотрим электрический конденсатор, схематически изображенный на фиг.1. Частицы расположены в носителе в геометрии, близкой к кубической решетке. На основе формулы Клаузиуса-Мосотти для такой формы расположения частиц в носителе и формулы Лоретц-Лоренца для поправки локального поля частиц - эллипсоидов вращения получаем соотношение для нахождения εη:
(εη-1)/(εη+2)=[(εc-1)/(εc+2)]+η{(εp-1)/1+n(εp-1)]-[(εc-1)/1+n(εс-1)]}/3,
где 0<n<1 - это фактор деполяризуемости частиц, зависящий от соотношения их длин полуосей. Результаты расчета, где Сη - электроемкость предлагаемого конденсатора, приведены на фиг.2, где Р=Сη/С0εр, показывающие, что увеличение может достигать до 100 раз.
Оценим достижимое значение электроемкости предлагаемого конденсатора для цепей постоянного или медленно изменяющегося тока, в котором в качестве носителя выбран сегнетоэлектрик с εc=800, а активным началом являются наночастицы сегнетоэлектрика с εp=1500. В этом случае согласно расчетам, приведенным на фиг.3, Р=Сη/С0εр достигает величины около 200 раз. Это означает, что при толщине пластин 2 мкм и толщине слоя разделяющего вещества 18 мкм конденсатор объемом в 20 см имеет электроемкость около 0.1 Фарад. И оценки показывают, что при этом пробивное напряжение для такого конденсатора достигает 50 В.
Оценим достижимое увеличение электроемкости предлагаемого конденсатора для работы в полях высокой от 1 до 1000 ГГц частоты, в котором в качестве носителя является кремний с εс=11,4, а активным началом являются наночастицы сегнетоэлектрика с εp=30-500 (например, BaTiO3). В этом случае согласно расчетам, приведенным на фиг.4, Р=Cη/C0εp достигает величины до 100 раз.
Таким образом предлагаемое техническое решение электрического конденсатора обеспечивает значительное увеличение удельной электроемкости конденсаторов как для постоянного, так и для переменного тока.
Пример реализации предлагаемого электрического конденсатора
1. Для постоянного тока.
На металлическую подложку, полученную распылением из сплава AgPa в вакууме, наносится пленочный слой сегнетоэлектрика BaTiO3 высокочастотным распылением в вакууме. Сегнетоэлектрик сложного состава (PbLaBaS)(ZrTi)O3 с εc=1500 получается из коллоидного раствора смеси окислов исходных компонентов прокаливанием в тигле при температуре 900°.
Частицы сегнетоэлектрика получаются вытягиванием из расплава на платиновом стержне при медленном снижении температуры расплава. Для получения нужной формы частиц стержень вращается. Размеры и форма частиц контролируются атомно-силовым микроскопом и помещаются на пленочный сдой сегнетоэлектрика BaTiO3. Ориентация частиц создается с помощью приложенного электрического поля определенной полярности, величины и длительности между затвором и истоком сегнетоэлектрика. Для последующих слоев процедура повторяется. У полученного таким способом конденсатора ε достигает величины 200000-300000.
2. Для частотного диапазона 1-1000 ГГц.
На металлическую подложку эпитаксиально наносится слой за слоем кремниевый полупроводник. При этом между слоями помещаются наночастицы из сегнетоэлектрика BaTiO3 нужной формы, полученные методом вытягивания на платиновом стержне из расплава при медленном понижении температуры расплава и вращении стержня. Ориентация частиц создается с помощью приложенного электрического поля определенной полярности, величины и длительности. Положение и форма частиц контролируются микроскопом, например, атомно-силовым. У полученного таким способом конденсатора s достигает величины 3000-30000.
Литература
1. Карпихин В.В., Технология производства слюдяных и стеклоэмалевых конденсаторов, «Энергия», 1964 г.
2. Казарновский Д.М., Сегнетоэлектрические конденсаторы, «Госэнергоиздат», 1956 г.
Claims (3)
1. Электрический конденсатор, состоящий из электроконтактных выводов, электропроводящих пластин и помещенного между указанными пластинами разделяющего эти пластины диэлектрического или сегнетоэлектрического вещества, отличающийся тем, что в указанное разделяющее вещество, используемое в качестве носителя, введено активное начало в виде наночастиц из сегнетоэлектрического материала, отличного от материала указанного носителя.
2. Электрический конденсатор по п.1 для работы в цепях постоянного тока, отличающийся тем, что указанное активное начало, введенное в указанный носитель, выполненный из сегнетоэлектрического материала, например BaTiO3, представляет собой наночастицы, имеющие форму эллипсоидов вращения с отношением длин полуосей 0,31 из сегнетоэлектрического материала, например из (PbLaBaS)(ZrTi)O3, ориентированные в направлении к указанным пластинам, причем объемная концентрация указанных наночастиц в указанном носителе составляет от 18,5 до 19,5%.
3. Электрический конденсатор по п.1 для работы в электромагнитном поле с длиной волны X, отличающийся тем, что указанное активное начало, введенное в указанный носитель, выполненный из диэлектрического, например кремниевого, материала, представляет собой наночастицы, имеющие форму эллипсоидов вращения с отношением длин полуосей 0,31 из сегнетоэлектрического материала, например из BaTiO3, ориентированные в направлении к указанным пластинам и имеющие характерные размеры много меньше λ, причем объемная концентрация указанных наночастиц в указанном носителе составляет от 20,0 до 21,0%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003125292/09A RU2266585C2 (ru) | 2003-08-19 | 2003-08-19 | Электрический конденсатор |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003125292/09A RU2266585C2 (ru) | 2003-08-19 | 2003-08-19 | Электрический конденсатор |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003125292A RU2003125292A (ru) | 2005-02-10 |
RU2266585C2 true RU2266585C2 (ru) | 2005-12-20 |
Family
ID=35208616
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003125292/09A RU2266585C2 (ru) | 2003-08-19 | 2003-08-19 | Электрический конденсатор |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2266585C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2523065C2 (ru) * | 2008-09-26 | 2014-07-20 | Дексериалс Корпорейшн | Емкостный прибор и резонансная схема |
EP3605572A1 (en) | 2018-07-30 | 2020-02-05 | ZEUS NEXT Advanced Technologies GmbH | Controllable supercapacitor and method for controlling and making such supercapacitor |
-
2003
- 2003-08-19 RU RU2003125292/09A patent/RU2266585C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2523065C2 (ru) * | 2008-09-26 | 2014-07-20 | Дексериалс Корпорейшн | Емкостный прибор и резонансная схема |
EP3605572A1 (en) | 2018-07-30 | 2020-02-05 | ZEUS NEXT Advanced Technologies GmbH | Controllable supercapacitor and method for controlling and making such supercapacitor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2003125292A (ru) | 2005-02-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wei et al. | Intrinsic polymer dielectrics for high energy density and low loss electric energy storage | |
Zhang et al. | Challenges and opportunities of polymer nanodielectrics for capacitive energy storage | |
Wang et al. | Poly (vinylidene fluoride) flexible nanocomposite films with dopamine-coated giant dielectric ceramic nanopowders, Ba (Fe0. 5Ta0. 5) O3, for high energy-storage density at low electric field | |
Zhu | Exploring strategies for high dielectric constant and low loss polymer dielectrics | |
Kaya et al. | The investigation of dielectric properties and ac conductivity of Au/GO-doped PrBaCoO nanoceramic/n-Si capacitors using impedance spectroscopy method | |
Baer et al. | 50th anniversary perspective: dielectric phenomena in polymers and multilayered dielectric films | |
Oruç et al. | Structural and dielectric properties of CuO nanoparticles | |
Brown et al. | Controlling dielectric and relaxor-ferroelectric properties for energy storage by tuning Pb0. 92La0. 08Zr0. 52Ti0. 48O3 film thickness | |
Ortega et al. | Relaxor-ferroelectric superlattices: high energy density capacitors | |
Pecharroman et al. | New percolative BaTiO3–Ni composites with a high and frequency‐independent dielectric constant (ϵr≈ 80000) | |
Mao et al. | Excellent capacitor–varistor properties in lead-free CaCu3Ti4O12–SrTiO3 system with a wrinkle structure via interface engineering | |
Gao et al. | Achieving ultrahigh breakdown strength and energy storage performance through periodic interface modification in SrTiO3 thin film | |
Jia et al. | Colossal breakdown electric field and dielectric response of Al-doped CaCu3Ti4O12 ceramics | |
Neagu et al. | Impedance analysis and tunability of BaTiO3–chitosan composites: Towards active dielectrics for flexible electronics | |
Sheena et al. | Nickel oxide/cobalt phthalocyanine nanocomposite for potential electronics applications | |
RU2266585C2 (ru) | Электрический конденсатор | |
Yildirim et al. | A SYSTEMATIC STUDY ON THE DIELECTRIC RELAXATION, ELECTRIC MODULUS AND ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF Al/Cu: TiO 2∕ n-Si (MOS) STRUCTURES/CAPACITORS | |
Zhu et al. | Achieving a record-high capacitive energy density on Si with columnar nanograined ferroelectric films | |
Shandilya et al. | Purely hopping conduction in c-axis oriented LiNbO3 thin films | |
Chanmal et al. | Dielectric relaxation spectroscopy for polymer nanocomposites | |
Khalil et al. | Electrical characterization of AgNPs-PVA nanocomposites thin film-based heterojunction diode | |
Tabrizi et al. | Dielectric characteristics and nonlinear properties of ZnO–polypyrrole composites | |
Kim et al. | Characterization of Ni-doped BST thin films on LSCO buffer layers prepared by pulsed laser deposition | |
Band et al. | Three different mechanisms of self-discharge behavior in poly (vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) for dielectric energy storage | |
Haris et al. | Low-frequency thermally-assisted electrical resonance in V2O5/C composites |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100820 |