WO2012008866A1 - Multilayered nanocomposite for capacitors and method for manufacturing same - Google Patents

Multilayered nanocomposite for capacitors and method for manufacturing same Download PDF

Info

Publication number
WO2012008866A1
WO2012008866A1 PCT/RU2010/000400 RU2010000400W WO2012008866A1 WO 2012008866 A1 WO2012008866 A1 WO 2012008866A1 RU 2010000400 W RU2010000400 W RU 2010000400W WO 2012008866 A1 WO2012008866 A1 WO 2012008866A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
substrate
capacitors
titanium
reaction chamber
Prior art date
Application number
PCT/RU2010/000400
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Василий Александрович БАРГАН
Петр Александрович БАРГАН
Дмитрий Евгеньевич КАШИН
Александр Викторович ПЕЙСАХОВ
Борис Дмитриевич БОЛЬЩИКОВ
Алексей Борисович ХАЛЯВИН
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностыо "Бapгah Texhoлoджи"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностыо "Бapгah Texhoлoджи" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностыо "Бapгah Texhoлoджи"
Publication of WO2012008866A1 publication Critical patent/WO2012008866A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/0029Processes of manufacture
    • H01G9/0032Processes of manufacture formation of the dielectric layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002Details
    • H01G4/018Dielectrics
    • H01G4/06Solid dielectrics
    • H01G4/08Inorganic dielectrics
    • H01G4/12Ceramic dielectrics
    • H01G4/1209Ceramic dielectrics characterised by the ceramic dielectric material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/002Details
    • H01G4/018Dielectrics
    • H01G4/20Dielectrics using combinations of dielectrics from more than one of groups H01G4/02 - H01G4/06

Definitions

  • Multilayer nanocomposite for capacitors and method for its manufacture are Multilayer nanocomposite for capacitors and method for its manufacture.
  • the invention relates to microelectronics, and more specifically, to nanolayer structures of the type metal-dielectric-metal (MDM) with a large specific electrical and energy intensity.
  • MDM type metal-dielectric-metal
  • a multilayer nanocomposite for capacitors including layers of metal (molybdenum) and dielectric (amorphous silicon oxide) arranged in alternating sequence on a flat front surface of a dielectric substrate, forming a periodic multilayer structure with a period of 13.5 nm, as well as with the upper and lower layers metal (see US-A-N5414588, 1995, FIG. 1).
  • the multilayer nanocomposite for capacitors described above is manufactured by sequentially depositing metal and dielectric layers in a vacuum on a flat front surface of a dielectric substrate using one of the methods widely known in microelectronics, preferably by magnetron sputtering.
  • a multilayer nanocomposite for capacitors is known, taken as a prototype and containing a first layer of titanium nitride (5.6 nm), a layer of aluminum oxide (6.5 nm) and a second layer of titanium nitride (12 , 6 nm), while the substrate is made in the form of ultrapure aluminum deposited on a glass plate, and the developed front surface of the substrate is formed by anodic oxidation of the aforementioned aluminum layer to a depth corresponding to the required pore sizes, e.g. an example, about 50 nm in cross section and a depth of 1.0 to 10.0 ⁇ m (see: Parag Banerjee and al. Nanotubular metal-insulator-metal capacitor arrays for energy storage Nature Nanotechnology, v. 4, pp. 292-296 (2009)).
  • ALD method ALD method
  • the presence of open pores on the front surface of the substrate not only leads to an increase (mainly depending on the pore depth) of the real surface area of the substrate, and therefore to an increase in the area of the layers of the multilayer nanocomposite (or, in other words, to an increase in the area of the capacitor plates), but also imposes a strict upper restriction on the thickness of the multilayer nanocomposite, namely, the doubled maximum thickness of the multilayer nanocomposite is comparable (in particular, equal) with the minimum transverse dimensions then.
  • the well-known multilayer nanocomposite cannot be used to create capacitors with simultaneously high specific electric and energy intensity, since the thickness of the dielectric layer is small (less than 10 nm), and it is not possible to increase it, on the one hand, due to the fact that the maximum transverse pore size (and therefore the doubled thickness of the multilayer nanocomposite for capacitors) obtained the anodizing method of ultrapure (99.99%) aluminum known from the prior art is about 50 nm (see the journal Doklady of the Camillian State University of Informatics and Radioelectronics, 2 (14), pp.
  • th nanocomposite not exceeding 25 nm, it should include not only the dielectric layer, but also two (upper and lower) layers of electrically conductive material (titanium nitride) as a known substrate may be used as one of the capacitor plates.
  • the lower layer of titanium nitride and the dielectric layer have a thickness of less than Yunm (respectively: 5.6 nm and 6, 5 nm), which negatively affects the reproducibility of the parameters of capacitors made on its basis.
  • the disadvantages of the prototype include the need to use substrates that are not manufactured by industry. The consequence of this is an increase in the cost of the known multilayer nanocomposite for capacitors.
  • the present invention is directed to solving the technical problem of creating a multilayer nanocomposite for capacitors with a large specific electric and energy intensity on a substrate from an industrially produced electrically conductive material with a high specific surface while providing high adhesion to both the substrate and the layers to each other.
  • a multilayer nanocomposite for capacitors containing a substrate with a front developed surface, as well as an amorphous alumina layer and a titanium nitride layer it further comprises a rutile modification titanium dioxide layer, while the substrate is electrically conductive graphite foil density of from 0.27 to 1.2 g / cm 3 obtained by uniaxial compression of expanded graphite, while on the front surface of the substrate layer are sequentially disposed aux and aluminum, a titanium dioxide layer and a layer of titanium nitride formed by atomic layer deposition and having a thickness of 10 to 20 nm.
  • the problem is solved in that in the method of manufacturing a multilayer nanocomposite for capacitors, comprising sequentially applying layers to a substrate with a developed front surface by atomic layer deposition, according to the invention, on the front surface of a graphite foil substrate with a density of 0.27 to 1.2 g / cm 3 obtained by uniaxial pressing of thermally expanded graphite, an alumina layer, a titanium dioxide layer and a titanium nitride layer are successively applied, while applying an oxide layer and aluminum is conducted at a temperature of 270-330 ° C by alternating pulsed feed into the reaction chamber of precursors which use trimethylaluminum and ozone, the deposition of a layer of titanium dioxide is conducted at a temperature of 450-500 ° C 2010/000400
  • the advantage of the patented multilayer nanocomposite for capacitors compared to the prototype is that due to the implementation of the substrate from an industrially produced electrically conductive material (graphite foil with a density of 0.27 to 1.2 g / cm 3 obtained by uniaxial pressing of thermally expanded graphite):
  • the features related to the operating parameters of the deposition of layers provide high adhesion between the layers located in the patented sequence, as well as the layer of aluminum oxide with the substrate.
  • patentable regime parameters of the deposition of layers provide the required modifications of alumina and titanium dioxide.
  • FIG. 1 schematically depicts a fragment of a cross section of a graphite foil substrate; in FIG. 2 - a multilayer nanocomposite for capacitors (section in the region of the substrate fragment shown in Fig. 1).
  • the multilayer nanocomposite for capacitors contains an electrically conductive substrate 1 with a developed front surface, on which the first dielectric layer 2 of amorphous alumina ( ⁇ 2 ⁇ 3 ), the second dielectric layer 3 of titanium dioxide (Ti0 2 ) rutile modification and conductive are sequentially arranged layer 4 of titanium nitride (TiN), (Fig. 1 and 2).
  • the substrate 1 is made of an electrically conductive material, namely, industrially produced graphite foil with a density of 0.27 to 1.2 g / cm 3 obtained by uniaxial pressing of thermally expanded graphite, which is obtained by heat treatment in the heat shock mode of oxidized graphites synthesized, preferably, by anodic polarization of natural graphite in aqueous acid solutions (for example, 60% nitric acid), since this foil has a higher strength, thermal and electrical conductivity, and also a specific surface compared to graphite foil obtained from graphites synthesized by chemical methods, including the production of nitrate, chlorate a, graphite hydrosulfate, followed by its hydrolysis.
  • an electrically conductive material namely, industrially produced graphite foil with a density of 0.27 to 1.2 g / cm 3 obtained by uniaxial pressing of thermally expanded graphite, which is obtained by heat treatment in the heat shock mode of oxidized graphites synthesized, preferably, by anodic polarization
  • Thermally expanded graphite graphite foil is supplied to the consumer in rolls and has a thickness of 0.1 to 0.8 mm (TU 5728-003-12058737-2000).
  • the developed surface of graphite foil (Fig. 1) made of thermally expanded graphite is formed by pores, which are mainly gaps between the flakes of thermally expanded graphite, the contact area between which remains practically unchanged in the above density range of graphite foil, thereby causing (noted above) practically a constant value of its specific surface within the patented range of densities.
  • the pore characteristics of graphite foil provide the possibility, using the ALD method, of applying to the developed front surface of a graphite foil substrate a multilayer coating with a thickness of up to 60 nm, with an area of 87-91% of the developed front surface area of the substrate (due to " smoothing "wall irregularities RU2010 / 000400
  • the first dielectric layer 2 of amorphous alumina is deposited onto the developed surface of the substrate 1 by the ALD method on the surface of layer 2 and has a thickness of 10 to 20 nm.
  • Conformal layer 2 of the second dielectric layer 3 of titanium dioxide modification of rutile deposited by the ALD method on the surface of layer 2 has a thickness of 10 to 20 nm.
  • the lower limit of the thickness of layers 2, 3 and 4 is due to a decrease of not less than 1.5 times relative to the unevenness of the thickness of the layers compared to the prototype, which allows to reduce the dispersion of electrophysical parameters over the area of the multilayer composite, and therefore, increase the operating voltage of the capacitors made on its basis to 20V.
  • the upper limit of the thicknesses of layers 2, 3, and 4 is due to a violation of the conformity of layer 4 with respect to layers 2 and 3.
  • the implementation of the dielectric part of a multilayer nanocomposite for two-layer capacitors of dielectric materials with different dielectric constants and electric strength provides not only an increase in the capacitance of the obtained capacitor, but also its breakdown voltage. In other words, an increase in both the specific electric intensity and the specific energy intensity is provided.
  • a multilayer nanocomposite for capacitors is manufactured by atomic layer deposition (ALD method) as follows.
  • a substrate 1 of graphite foil with a density of 0.27 to 1.2 g / cm 3 obtained by uniaxial pressing of thermally expanded graphite is placed in a reaction chamber, the density of which is pumped to a pressure of about 5 mbar.
  • a trimethylaluminum (CH3) 3A1 precursor is pulsed into the chamber under a pressure of 7 mbar for 10 to 20 seconds. at a temperature in the chamber of 270-330 ° C. As a result, a trimethylaluminum monolayer is adsorbed and chemisorbed on the surface of the substrate.
  • the chamber is purged with nitrogen followed by the inlet of another precursor of ozone 0 3 into the chamber at a pressure of 7 mbar for 10 to 20 seconds.
  • an alumina monolayer is formed. It should be noted here that it was found that only ozone (as a strong oxidizing agent) ensures the functionalization of the surface of graphite foil.
  • ozone as a strong oxidizing agent
  • the above temperature range has been found to provide the best adhesion of amorphous alumina to graphite foil. Going beyond the temperature range indicated above leads to peeling of alumina, including due to the formation of a crystalline phase of alumina.
  • the chamber is purged with nitrogen to eliminate unreacted ozone, as well as reaction products, and then the alternate pulse supply of the above-mentioned precursors to the reaction chamber is repeated as many times as necessary to obtain an alumina layer 2 of the required thickness from 10 to 20 nm.
  • a layer 3 of titanium dioxide is applied to modify the rutile conformal to layer 2.
  • a precursor is pulsed into the reaction chamber at a temperature of 450-500 ° C, using titanium tetrachloride (TiCl 4 ) under a pressure of 7 mbar for 10- 20 sec During this pulse, a monolayer of titanium tetrachloride is adsorbed on the surface of layer 2 of aluminum oxide.
  • another precursor, water is supplied to it for 10-20 seconds. at a pressure of 7 mbar. AT 0 000400
  • a conformal monolayer of titanium dioxide is formed on the surface of the alumina layer 2.
  • the above temperature range has been found to provide the best adhesion of the crystalline modification of rutile titanium dioxide to amorphous alumina. Going beyond the above temperature range leads to the exfoliation of titanium dioxide.
  • a conformal layer 4 of titanium nitride is applied to the titanium dioxide layer 3 thereof.
  • a precursor is pulsed into the reaction chamber at a temperature of 460 - 490 ° ⁇ , which is used as titanium tetrachloride under a pressure of 7 mbar for 10-20 seconds.
  • a monolayer of titanium tetrachloride is adsorbed on the surface of layer 3 of titanium dioxide.
  • another precursor, ammonia NH 3 is fed into it for (10-20) seconds. at a pressure of 7 mbar.
  • a conformal titanium nitride monolayer is formed on the surface of the titanium dioxide layer 3.
  • the adhesion between the layers of titanium dioxide and titanium nitride was found to be better than between the layers of aluminum oxide and titanium nitride. This circumstance allowed the features relating to the sequence of layers 2, 3 and 4 to be included among the essential features of the patented invention.
  • the above temperature range provides the best adhesion between layer 3 and layer 4.
  • the above-described alternate supply of titanium tetrachloride and ammonia is repeated as many times as necessary to obtain a conformal layer 3 of layer 4 of titanium nitride of the required thickness: from 10 to 20 nm.
  • the multilayer nanocomposite for capacitors made by the patented method comprises a substrate of graphite foil 0.3 mm thick with a density of 1.0 g / cm 3 and with a specific surface area of 28 m 2 / g on the front surface of which (with an area of 25 mm 2 in plan) there is an amorphous layer alumina with a thickness of 20 nm, a rutile modification titanium dioxide layer with a thickness of 15 nm and a conformal alumina layer, and a titanium nitride layer conformal with a titanium oxide layer and having a thickness of 15 nm.
  • the capacity of this multilayer nanocomposite is 8 ⁇ 10 ⁇ 3 F and the operating voltage is 20V.
  • this multilayer nanocomposite can be used for the manufacture of capacitors for hybrid battery-condenser power plants for cars or for solar panels.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)

Abstract

The multilayered nanocomposite for capacitors comprises a substrate 1 consisting of a graphite film with a density of from 0.27 to 1.2 g/cm3, wherein a layer 2 of amorphous aluminium oxide, a layer 3 of titanium oxide of the rutile modification and a layer 4 of titanium nitride are arranged successively on the face of said substrate, with the layers being formed using the method of atomic layer deposition. Furthermore, the application of the layer of aluminium oxide is performed at a temperature of 270-330°C by means of the alternate pulsed supply of the following precursors to the reaction chamber: trimethylaluminium and ozone. The application of the layer of titanium dioxide is performed at a temperature of 450-500°C by means of the alternate pulsed supply of the following precursors to the reaction chamber: titanium tetrachloride and water, while the application of the layer of titanium nitride is performed at a temperature of 460-490°C by means of the alternate pulsed supply of precursors to the reaction chamber, with the precursors used being titanium tetrachloride and ammonia.

Description

Многослойный нанокомпозит для конденсаторов и способ его изготовления .  Multilayer nanocomposite for capacitors and method for its manufacture.
Область техники.  The field of technology.
Изобретение относится к микроэлектронике, а более конкретно, к нанослойным структурам типа металл-диэлектрик - металл (МДМ) с большой удельной электро - и энергоемкостью.  The invention relates to microelectronics, and more specifically, to nanolayer structures of the type metal-dielectric-metal (MDM) with a large specific electrical and energy intensity.
Предшествующий уровень техники.  The prior art.
Как следует из достигнутого уровня техники задача по созданию конденсаторов с большой удельной емкостью приобретает все большую актуальность, при этом известны, по существу, два альтернативных подхода к решению задачи по увеличению емкости конденсаторов с твердым диэлектриком (Si02, Ti02, CaTi03, Zr02) или сегнетоэлектриком ВаТЮз путем увеличения площади их обкладок. As follows from the achieved level of technology, the task of creating capacitors with a large specific capacitance is becoming increasingly important, while there are essentially two alternative approaches to solving the problem of increasing the capacitance of solid dielectric capacitors (Si0 2 , Ti0 2 , CaTi0 3 , Zr0 2 ) or a ferroelectric VaTyuz by increasing the area of their plates.
Так известен многослойный нанокомпозит для конденсаторов, включающий расположенные в чередующейся последовательности на плоской лицевой поверхности диэлектрической подложки слои металла (молибдена) и диэлектрика (аморфного оксида кремния) , образующие периодическую многослойную структуру с периодом равным 13,5 нм, а также с верхним и нижним слоями металла (см. патент US-A-N5414588 , 1995, фиг.1). Описанный выше многослойный нанокомпозит для конденсаторов изготавливается путем последовательного нанесения на плоскую лицевую поверхность диэлектрической подложки слоев металла и диэлектрика в вакууме одним из широко известных в микроэлектронике методов, предпочтительно методом магнетронного распыления.  Thus, a multilayer nanocomposite for capacitors is known, including layers of metal (molybdenum) and dielectric (amorphous silicon oxide) arranged in alternating sequence on a flat front surface of a dielectric substrate, forming a periodic multilayer structure with a period of 13.5 nm, as well as with the upper and lower layers metal (see US-A-N5414588, 1995, FIG. 1). The multilayer nanocomposite for capacitors described above is manufactured by sequentially depositing metal and dielectric layers in a vacuum on a flat front surface of a dielectric substrate using one of the methods widely known in microelectronics, preferably by magnetron sputtering.
Максимальная емкость такой периодической многослойной структуры имеет место при внешнем электрическом соединении между собой соответственно нечетных и четных ее металлических слоев, обеспечивающем, по существу, η-кратное (где п - число слоев диэлектрика) увеличение площади обкладок конденсатора (полученного в результате указанного выше соединения металлических слоев) по сравнению с площадью в плане многослойного нанокомпозита .  The maximum capacitance of such a periodic multilayer structure occurs with an external electrical connection between each other of its odd and even metal layers, which provides, in essence, an η-fold (where n is the number of dielectric layers) increase in the area of the capacitor plates (obtained as a result of the above metal connection layers) compared with the area in terms of a multilayer nanocomposite.
Однако, как следует из упомянутого выше патента, - выполнение внешнего электрического соединения между собой соответственно нечетных и четных металлических слоев является сложным технологическим процессом, приводящим к существенному увеличению стоимости готовых конденсаторов . Что касается варианта выполнения упомянутых выше соединений металлических слоев непосредственно в процессе изготовления многослойного нанокомпозита, то, как следует из упомянутого выше патента, это с одной стороны, приводит к усложнению технологического процесса, а с другой стороны, приводит к существенному увеличению габаритов конденсатора, а следовательно, к уменьшению удельной емкости. В этом заключается основной недостаток описанного выше многослойного нанокомпозита для конденсаторов . However, as follows from the above patent, the implementation of an external electrical connection to each other respectively, odd and even metal layers is a complex process, leading to a significant increase in the cost of finished capacitors. As for the embodiment of the above-mentioned compounds of metal layers directly in the process of manufacturing a multilayer nanocomposite, then, as follows from the aforementioned patent, this, on the one hand, leads to a complication of the process, and on the other hand, leads to a significant increase in the dimensions of the capacitor, and therefore , to a decrease in specific capacity. This is the main disadvantage of the multilayer nanocomposite for capacitors described above.
Известен также альтернативный описанному выше подход к решению задачи по созданию конденсатора с большой удельной емкостью, заключающийся в том, что увеличение более чем на порядок реальной площади обкладок конденсатора при неизменных геометрических размеров в плане подложки многослойного нанокомпозита обеспечивается использованием подложки с сильно развитой, по крайней мере, лицевой поверхностью.  There is also an alternative to the approach described above for solving the problem of creating a capacitor with a large specific capacity, which consists in the fact that an increase of more than an order of magnitude of the real area of the capacitor plates with constant geometric dimensions in terms of the substrate of a multilayer nanocomposite is provided by using a substrate with a highly developed at least face surface.
Так известен многослойный нанокомпозит для конденсаторов, взятый в качестве прототипа и содержащий расположенные последовательно на развитой лицевой поверхности подложки и конформно ей первый слой нитрида титана (5,6 нм) , слой оксида алюминия (6,5 нм) и второй слой нитрида титана (12,6 нм) , при этом подложка выполнена в виде нанесенного на стеклянную пластинку сверхчистого алюминия, а развитая лицевая поверхность подложки сформирована анодным окислением упомянутого выше слоя алюминия на глубину, соответствующую требуемым размерам пор, например, порядка 50нм в поперечном сечении и глубиной от 1,0 до 10,0 мкм (см.: Parag Banerjee and al. Nanotubular metal- insulator-metal capacitor arrays for energy storage Nature Nanotechnology, v. 4, pp. 292-296 (2009)).  Thus, a multilayer nanocomposite for capacitors is known, taken as a prototype and containing a first layer of titanium nitride (5.6 nm), a layer of aluminum oxide (6.5 nm) and a second layer of titanium nitride (12 , 6 nm), while the substrate is made in the form of ultrapure aluminum deposited on a glass plate, and the developed front surface of the substrate is formed by anodic oxidation of the aforementioned aluminum layer to a depth corresponding to the required pore sizes, e.g. an example, about 50 nm in cross section and a depth of 1.0 to 10.0 μm (see: Parag Banerjee and al. Nanotubular metal-insulator-metal capacitor arrays for energy storage Nature Nanotechnology, v. 4, pp. 292-296 (2009)).
Взятый в качестве прототипа многослойный нанокомпозит для конденсаторов изготовлен (параметры .не приводятся) путем 0 000400 Taken as a prototype, a multilayer nanocomposite for capacitors is manufactured (parameters are not given) by 0 000400
- 3 - последовательного нанесения на развитую поверхность подложки и конформных этой поверхности слоев проводника и диэлектрика методом атомно-слоевого осаждения (Atomic Layer Deposition, далее ALD метод, см., например, журнал El . Dev/Lett, 29 (7 ) , 740- 742, 2008) . - 3 - sequential deposition on the developed surface of the substrate and conductor and dielectric layers conformal to this surface by atomic layer deposition (Atomic Layer Deposition, hereinafter ALD method, see, for example, El. Dev / Lett, 29 (7), 740- 742, 2008).
Однако наличие открытых пор на лицевой поверхности подложки не только приводит к увеличению (зависящим, преимущественно от глубины пор) реальной площади лицевой поверхности подложки, а следовательно, к увеличению площади слоев многослойного нанокомпозита (или иными словами, к увеличению площади обкладок конденсатора) , но и накладывает жесткое ограничение сверху на толщину многослойного нанокомпозита, а именно, удвоенная максимальная толщина многослойного нанокомпозита сравнима (в частности равна) с минимальными поперечными размерами пор. Принимая во внимание также, что при заданной электрической прочности диэлектрика энергия заряженного конденсатора пропорциональна толщине диэлектрического слоя, можно сделать вывод, что многослойные нанокомпозиты, сформированные на лицевой поверхности подложки с открытыми порами, имеющими небольшие поперечные размеры, не могут быть использованы для создания конденсаторов с одновременно высокой удельной электро- и энергоемкостью. Кроме того, поскольку величина относительной неравномерности толщины слоев, наносимых ALD методом на лицевую поверхность подложки и обусловленную неровностями поверхности расположенных на ней микропор, увеличивается с уменьшением толщины наносимых слоев, поэтому с уменьшением толщины слоев не только увеличивается разброс электрофизических параметров по площади многослойного нанокомпозита, но и снижается воспроизводимость параметров конденсаторов, изготовленных на его основе.  However, the presence of open pores on the front surface of the substrate not only leads to an increase (mainly depending on the pore depth) of the real surface area of the substrate, and therefore to an increase in the area of the layers of the multilayer nanocomposite (or, in other words, to an increase in the area of the capacitor plates), but also imposes a strict upper restriction on the thickness of the multilayer nanocomposite, namely, the doubled maximum thickness of the multilayer nanocomposite is comparable (in particular, equal) with the minimum transverse dimensions then. Taking into account that, for a given dielectric strength, the energy of a charged capacitor is proportional to the thickness of the dielectric layer, we can conclude that multilayer nanocomposites formed on the front surface of an open-pore substrate with small transverse dimensions cannot be used to create capacitors with high specific electric and energy intensity. In addition, since the value of the relative non-uniformity of the thickness of the layers deposited by the ALD method on the front surface of the substrate and due to the unevenness of the surface of the micropores located on it increases with decreasing thickness of the applied layers, therefore, with a decrease in the thickness of the layers, not only does the scatter of electrophysical parameters over the area of the multilayer nanocomposite increase, but and decreases the reproducibility of the parameters of capacitors made on its basis.
На основании вышесказанного можно сделать вывод о том, что прототип имеет следующие недостатки.  Based on the foregoing, we can conclude that the prototype has the following disadvantages.
• Известный многослойный нанокомпозит не может быть использован для создания конденсаторов с одновременно высокой удельной электро- и энергоемкостью, поскольку толщина слоя диэлектрика мала (меньше 10 нм) , а увеличить ее не представляется возможным, с одной стороны, за счет того, что максимальный поперечный размер пор (а следовательно, удвоенная толщина многослойного нанокомпозита для конденсаторов) , полученных известным из уровня техники методом анодирования сверхчистого (99,99%) алюминия, составляет порядка 50 нм (см. журнал Доклады Белорусского ГУ информатики и радиоэлектроники, 2(14), с. 127-183, 2006), а, с другой стороны, за счет того, что при толщине многослойного нанокомпозита, не превышающей 25 нм, он должен включать не только слой диэлектрика, но и два (нижний и верхний) слои из электропроводящего материала (нитрида титана) , поскольку известная подложка не может быть использована в качестве одной из обкладок конденсатора. • The well-known multilayer nanocomposite cannot be used to create capacitors with simultaneously high specific electric and energy intensity, since the thickness of the dielectric layer is small (less than 10 nm), and it is not possible to increase it, on the one hand, due to the fact that the maximum transverse pore size (and therefore the doubled thickness of the multilayer nanocomposite for capacitors) obtained the anodizing method of ultrapure (99.99%) aluminum known from the prior art is about 50 nm (see the journal Doklady of the Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, 2 (14), pp. 127-183, 2006), and, on the other hand, due to the fact that with a multilayer thickness th nanocomposite not exceeding 25 nm, it should include not only the dielectric layer, but also two (upper and lower) layers of electrically conductive material (titanium nitride) as a known substrate may be used as one of the capacitor plates.
• Необходимость формирования двух слоев из электропроводящего материала (иными словами невозможность использования известной подложки в качестве одной из обкладок конденсатора) приводит к неоправданному увеличению доли электропроводящей части в известном многослойном нанокомпозите для конденсаторов.  • The need to form two layers of electrically conductive material (in other words, the impossibility of using the known substrate as one of the capacitor plates) leads to an unjustified increase in the proportion of the electrically conductive part in the known multilayer nanocomposite for capacitors.
• В известном из прототипа многослойном нанокомпозите для конденсаторов нижний слой из нитрида титана и слой диэлектрика имеют толщину менее Юнм (соответственно: 5,6 нм и 6, 5нм) , что отрицательно сказывается на воспроизводимости параметров конденсаторов, изготовленных на его основе.  • In the multi-layer nanocomposite for capacitors known from the prototype, the lower layer of titanium nitride and the dielectric layer have a thickness of less than Yunm (respectively: 5.6 nm and 6, 5 nm), which negatively affects the reproducibility of the parameters of capacitors made on its basis.
Кроме того, к недостаткам прототипа следует отнести необходимость использования подложек, которые не производятся промышленностью. Следствием чего является увеличение стоимости известного многослойного нанокомпозита для конденсаторов.  In addition, the disadvantages of the prototype include the need to use substrates that are not manufactured by industry. The consequence of this is an increase in the cost of the known multilayer nanocomposite for capacitors.
Здесь необходимо отметить, что в описании прототипа отсутствуют сведения, касающиеся режимных параметров нанесения слоев многослойного нанокомпозита ALD методом. Это обстоятельство не позволяет провести какой-либо анализ в части способа изготовления многослойного нанокомпозита для конденсаторов . It should be noted that in the description of the prototype there is no information regarding the operating parameters of the deposition of layers of a multilayer nanocomposite ALD method. This circumstance does not allow any analysis regarding the method of manufacturing a multilayer nanocomposite for capacitors.
Раскрытие изобретения.  Disclosure of the invention.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по созданию многослойного нанокомпозита для конденсаторов с большой удельной электро- и энергоемкостью на подложке из промышленно выпускаемого электропроводящего материала с высокой удельной поверхностью при одновременном обеспечении высокой адгезии как к подложке, так и слоев друг к другу.  The present invention is directed to solving the technical problem of creating a multilayer nanocomposite for capacitors with a large specific electric and energy intensity on a substrate from an industrially produced electrically conductive material with a high specific surface while providing high adhesion to both the substrate and the layers to each other.
С точки зрения устройства поставленная задача решена тем, что многослойный нанокомпозит для конденсаторов, содержащий подложку с лицевой развитой поверхности, а также слой аморфного оксида алюминия и слой нитрида титана, согласно изобретению, он дополнительно содержит слой диоксида титана модификации рутил, при этом подложка выполнена электропроводящей из графитовой фольги плотностью от 0,27 до 1,2 г/см3, полученной одноосным прессованием терморасширенного графита, а на лицевой поверхности подложки последовательно расположены слой оксида алюминия, слой диоксида титана и слой нитрида титана, сформированные методом атомно-слоевого осаждения и имеющими толщину от 10 до 20 нм. From the point of view of the device, the problem is solved in that a multilayer nanocomposite for capacitors containing a substrate with a front developed surface, as well as an amorphous alumina layer and a titanium nitride layer, according to the invention, it further comprises a rutile modification titanium dioxide layer, while the substrate is electrically conductive graphite foil density of from 0.27 to 1.2 g / cm 3 obtained by uniaxial compression of expanded graphite, while on the front surface of the substrate layer are sequentially disposed aux and aluminum, a titanium dioxide layer and a layer of titanium nitride formed by atomic layer deposition and having a thickness of 10 to 20 nm.
С точки зрения способа поставленная задача решена тем, что в способе изготовления многослойного нанокомпозита для конденсаторов, включающем последовательное нанесение слоев на подложку с развитой лицевой поверхностью методом атомно- слоевого осаждения, согласно изобретению, на лицевую поверхность подложки из графитовой фольги плотностью от 0,27 до 1,2 г/см3, полученной одноосным прессованием терморасширенного графита, последовательно наносят слой оксида алюминия, слой диоксида титана и слой нитрида титана, при этом нанесение слоя оксида алюминия ведут при температуре 270-330°С путем поочередной импульсной подачи в реакционную камеру прекурсоров в качестве которых используют триметилалюминий и озон, нанесение слоя диоксида титана ведут при температуре 450-500°С 2010/000400 From the point of view of the method, the problem is solved in that in the method of manufacturing a multilayer nanocomposite for capacitors, comprising sequentially applying layers to a substrate with a developed front surface by atomic layer deposition, according to the invention, on the front surface of a graphite foil substrate with a density of 0.27 to 1.2 g / cm 3 obtained by uniaxial pressing of thermally expanded graphite, an alumina layer, a titanium dioxide layer and a titanium nitride layer are successively applied, while applying an oxide layer and aluminum is conducted at a temperature of 270-330 ° C by alternating pulsed feed into the reaction chamber of precursors which use trimethylaluminum and ozone, the deposition of a layer of titanium dioxide is conducted at a temperature of 450-500 ° C 2010/000400
- 6 - путем поочередной импульсной подачи в реакционную камеру прекурсоров, в качестве которых используют четыреххлористый титан и воду, нанесение слоя нитрида титана ведут при температуре 460-490°С путем поочередной импульсной подачи в реакционную камеру прекурсоров, в качестве которых используют четыреххлористый титан и аммиак, а поочередное удаление упомянутых выше прекурсоров осуществляют продувкой реакционной камеры азотом.  - 6 - by alternating pulsed feed into the reaction chamber of precursors, which are used as titanium tetrachloride and water, applying a layer of titanium nitride is carried out at a temperature of 460-490 ° C by alternating pulsed feed into the reaction chamber of precursors, which are used as titanium tetrachloride and ammonia and alternately removing the precursors mentioned above by purging the reaction chamber with nitrogen.
Преимущество патентуемого многослойного нанокомпозита для конденсаторов по сравнению с прототипом заключается в том, что благодаря выполнению подложки из промышленно производимого электропроводного материала (графитовой фольги плотностью от 0,27 до 1,2 г/см3, полученной одноосным прессованием терморасширенного графита) : The advantage of the patented multilayer nanocomposite for capacitors compared to the prototype is that due to the implementation of the substrate from an industrially produced electrically conductive material (graphite foil with a density of 0.27 to 1.2 g / cm 3 obtained by uniaxial pressing of thermally expanded graphite):
• отпадает необходимость в использовании специального оборудования для изготовления подложки, а следовательно, упрощается процесс изготовления многослойного нанокомпозита для конденсаторов, а также снижается его стоимость;  • there is no need to use special equipment for the manufacture of the substrate, and therefore, the process of manufacturing a multilayer nanocomposite for capacitors is simplified, and its cost is also reduced;
• отпадает необходимость в формировании нижнего электропроводящего слоя из нитрида титана, поскольку функцию нижней обкладки конденсатора выполняет сама подложка;  • there is no need to form a lower electrically conductive layer of titanium nitride, since the substrate itself performs the function of the lower lining of the capacitor;
• обеспечивается (за счет параметров пор подложки и отсутствия нижнего слоя нитрида титана) не только более чем в пять раз увеличение толщины диэлектрической части многослойного нанокомпозита, но и выполнение ее двухслойной из диэлектрических материалов с различной диэлектрической проницаемостью и электрической прочностью (иными словами обеспечивающей увеличение не только емкости конденсатора, но и его пробивного напряжения) ;  • it is ensured (due to the pore parameters of the substrate and the absence of the lower layer of titanium nitride) not only a five-fold increase in the thickness of the dielectric part of the multilayer nanocomposite, but also its double-layer construction of dielectric materials with different dielectric constants and electric strength (in other words, providing an increase in only the capacitance of the capacitor, but also its breakdown voltage);
Высокая удельная поверхность материала подложки, а также структура и размеры ее пор, позволяют на ней ALD методом сформировать многослойный нанокомпозит для конденсаторов с двумя слоями из диэлектрического материала и одним слоем (верхним) из электропроводящего материала с суммарной толщиной, превышающей в два раза толщину прототипа, а также обеспечивающем более высокую удельную электрическую емкость (2-3) ·10~2 Ф/г и высокую удельную энергоемкость (7-8)Дж/г. The high specific surface of the substrate material, as well as the structure and dimensions of its pores, allow the ALD method to form a multilayer nanocomposite for it on capacitors with two layers of dielectric material and one layer (top) of an electrically conductive material with a total thickness, twice the thickness of the prototype, as well as providing a higher specific electric capacity (2-3) · 10 ~ 2 F / g and high specific energy consumption (7-8) J / g
Что касается патентуемого способа изготовления многослойного нанокомпозита для конденсаторов, то признаки, относящиеся к режимным параметрам нанесения слоев обеспечивают высокую адгезию между слоями, расположенными в патентуемой последовательности, а также слоя оксида алюминия с подложкой. Кроме того, патентуемые режимные параметры нанесения слоев, обеспечивают получения требуемых модификаций оксида алюминия и диоксида титана.  As for the patented method of manufacturing a multilayer nanocomposite for capacitors, the features related to the operating parameters of the deposition of layers provide high adhesion between the layers located in the patented sequence, as well as the layer of aluminum oxide with the substrate. In addition, patentable regime parameters of the deposition of layers provide the required modifications of alumina and titanium dioxide.
Остальные технические результаты, достигаемые при использовании патентуемого изобретения, станут ясными из дальнейшего изложения.  Other technical results achieved using the patented invention will become apparent from the following.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственным возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения указанных выше технических результатов патентуемой совокупностью существенных признаков .  The invention is further illustrated by a specific example, which, however, is not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the above technical results with a patentable combination of essential features.
Краткое описание чертежей.  A brief description of the drawings.
На фиг. 1 схематично изображен фрагмент сечения подложки из графитовой фольги; на фиг. 2 - многослойный нанокомпозит для конденсаторов (сечение в области фрагмента подложки, изображенной на рис. 1).  In FIG. 1 schematically depicts a fragment of a cross section of a graphite foil substrate; in FIG. 2 - a multilayer nanocomposite for capacitors (section in the region of the substrate fragment shown in Fig. 1).
Лучший вариант осуществления изобретения.  The best embodiment of the invention.
Многослойный нанокомпозит для конденсаторов содержит электропроводящую подложку 1 с развитой в том числе лицевой поверхностью, на которой последовательно расположены первый диэлектрический слой 2 из аморфного оксида алюминия (ΑΙ2Ο3) , второй диэлектрический слой 3 из диоксида титана (Ti02) модификации рутил и электропроводящий слой 4 из нитрида титана (TiN) , (фиг. 1 и 2) . The multilayer nanocomposite for capacitors contains an electrically conductive substrate 1 with a developed front surface, on which the first dielectric layer 2 of amorphous alumina (ΑΙ 2 Ο 3 ), the second dielectric layer 3 of titanium dioxide (Ti0 2 ) rutile modification and conductive are sequentially arranged layer 4 of titanium nitride (TiN), (Fig. 1 and 2).
Подложка 1 выполнена из электропроводящего материала, а именно, промышленно выпускаемой графитовой фольги плотностью от 0,27 до 1,2 г/см3, получаемой одноосным прессованием терморасширенного графита, который получают термообработкой в режиме термического удара окисленных графитов, синтезированных, предпочтительно, анодной поляризацией природного графита в водных растворах кислот (например, 60% азотной кислоте) , поскольку эта фольга обладает более высокой прочностью, тепло- и электропроводностью, а также удельной поверхностью по сравнению с графитовой фольгой полученной из графитов, синтезируемых химическими методами, включающими получение нитрата, хлората, гидросульфата графита с последующим его гидролизом. Было установлено, что величина тепло- и электропроводности, угол разориентации кристаллитов графита и удельная поверхность, измеренная методом низкотемпературной адсорбции азота, практически не изменяются в диапазоне плотностей от 0,27 до 1,2 г/см3. The substrate 1 is made of an electrically conductive material, namely, industrially produced graphite foil with a density of 0.27 to 1.2 g / cm 3 obtained by uniaxial pressing of thermally expanded graphite, which is obtained by heat treatment in the heat shock mode of oxidized graphites synthesized, preferably, by anodic polarization of natural graphite in aqueous acid solutions (for example, 60% nitric acid), since this foil has a higher strength, thermal and electrical conductivity, and also a specific surface compared to graphite foil obtained from graphites synthesized by chemical methods, including the production of nitrate, chlorate a, graphite hydrosulfate, followed by its hydrolysis. It was found that the magnitude of the thermal and electrical conductivity, the angle of disorientation of graphite crystallites, and the specific surface measured by low-temperature nitrogen adsorption practically do not change in the density range from 0.27 to 1.2 g / cm 3 .
В соответствии с вышеуказанными признаками, характеризующие границы диапазона плотностей графитовой фольги включены в число существенных признаков. Графитовая фольга из терморасширенного графита поставляется потребителю в рулонах и имеет толщину от 0,1 до 0,8 мм (ТУ 5728-003-12058737-2000).  In accordance with the above features, characterizing the boundaries of the density range of graphite foil are included among the essential features. Thermally expanded graphite graphite foil is supplied to the consumer in rolls and has a thickness of 0.1 to 0.8 mm (TU 5728-003-12058737-2000).
Развитая поверхность графитовой фольги (фиг. 1) из терморасширенного графита образована порами, которые в основном, представляют собой щели между чешуйками терморасширенного графита, площадь контакта между которыми практически не меняется в указанном выше диапазоне плотностей графитовой фольги, обуславливая тем самым (отмеченную выше) практически постоянную величину ее удельной поверхности в пределах патентуемого диапазона плотностей.  The developed surface of graphite foil (Fig. 1) made of thermally expanded graphite is formed by pores, which are mainly gaps between the flakes of thermally expanded graphite, the contact area between which remains practically unchanged in the above density range of graphite foil, thereby causing (noted above) practically a constant value of its specific surface within the patented range of densities.
Было установлено также, что характеристики пор графитовой фольги обеспечивают возможность, при использовании ALD метода нанесения на развитую лицевую поверхность подложки из графитовой фольги многослойного покрытия олщиной до 60 нм, с площадью, составляющей 87-91% от площади развитой лицевой поверхности подложки (за счет «сглаживания» неровностей стенок RU2010/000400 It was also found that the pore characteristics of graphite foil provide the possibility, using the ALD method, of applying to the developed front surface of a graphite foil substrate a multilayer coating with a thickness of up to 60 nm, with an area of 87-91% of the developed front surface area of the substrate (due to " smoothing "wall irregularities RU2010 / 000400
- 9 - пор и заполнения очень маленьких пор) .  - 9 - pores and filling very small pores).
Первый диэлектрический слой 2 из аморфного оксида алюминия нанесен на развитую поверхность подложки 1 ALD методом на поверхность слоя 2 и имеет толщину от 10 до 20 нм. Конформный слою 2 второй диэлектрический слой 3 из диоксида титана модификации рутил нанесен ALD методом на поверхность слоя 2 имеет толщину от 10 до 20 нм. Нижний предел толщины слоев 2, 3 и 4 обусловлен уменьшение не менее чем в 1,5 раза относительно неравномерности толщины слоев по сравнению с прототипом, позволяющим уменьшить разброс электрофизических параметров по площади многослойного композита, а следовательно, повысить рабочее напряжение изготовленных на его основе конденсаторов до 20В. Верхний предел толщин слоев 2, 3 и 4 обусловлен нарушением конформности слоя 4 по отношению к слоям 2 и 3.  The first dielectric layer 2 of amorphous alumina is deposited onto the developed surface of the substrate 1 by the ALD method on the surface of layer 2 and has a thickness of 10 to 20 nm. Conformal layer 2 of the second dielectric layer 3 of titanium dioxide modification of rutile deposited by the ALD method on the surface of layer 2 has a thickness of 10 to 20 nm. The lower limit of the thickness of layers 2, 3 and 4 is due to a decrease of not less than 1.5 times relative to the unevenness of the thickness of the layers compared to the prototype, which allows to reduce the dispersion of electrophysical parameters over the area of the multilayer composite, and therefore, increase the operating voltage of the capacitors made on its basis to 20V. The upper limit of the thicknesses of layers 2, 3, and 4 is due to a violation of the conformity of layer 4 with respect to layers 2 and 3.
Патентуемая последовательность расположения слоев 2 и 3, а также модификации используемых диэлектрических материалов, обеспечивает, как будет показано ниже, высокую адгезию как к подложке 1, так и слоев 2, 3 и 4 друг к другу.  The patented sequence of arrangement of layers 2 and 3, as well as modifications of the dielectric materials used, provides, as will be shown below, high adhesion to both substrate 1 and layers 2, 3, and 4 to each other.
Выполнение диэлектрической части многослойного нанокомпозита для конденсаторов двухслойной из диэлектрических материалов с различной диэлектрической проницаемостью и электрической прочностью, как известно, обеспечивает не только увеличение емкости полученного конденсатора, но и его пробивного напряжения. Иными словами, обеспечивается увеличение, как удельной электроемкости, так и удельной энергоемкости .  The implementation of the dielectric part of a multilayer nanocomposite for two-layer capacitors of dielectric materials with different dielectric constants and electric strength, as is known, provides not only an increase in the capacitance of the obtained capacitor, but also its breakdown voltage. In other words, an increase in both the specific electric intensity and the specific energy intensity is provided.
Многослойный нанокомпозит для конденсаторов изготавливается методом атомно-слоевого осаждения (ALD методом) следующим образом.  A multilayer nanocomposite for capacitors is manufactured by atomic layer deposition (ALD method) as follows.
Подложку 1 из графитовой фольги плотностью от 0,27 до 1,2 г/см3, полученной одноосным прессованием терморасширенного графита, помещают в реакционную камеру, плотность которой откачивают до давления, порядка 5 мбар. Осуществляют импульсную подачу в камеру прекурсора триметилалюминия (СНз)зА1 - под давлением 7 мбар в течение 10 - 20 сек. при температуре в камере 270-330 °С. В результате на поверхности подложки адсорбируется и хемосорбируется монослой триметилалюминия . A substrate 1 of graphite foil with a density of 0.27 to 1.2 g / cm 3 obtained by uniaxial pressing of thermally expanded graphite is placed in a reaction chamber, the density of which is pumped to a pressure of about 5 mbar. A trimethylaluminum (CH3) 3A1 precursor is pulsed into the chamber under a pressure of 7 mbar for 10 to 20 seconds. at a temperature in the chamber of 270-330 ° C. As a result, a trimethylaluminum monolayer is adsorbed and chemisorbed on the surface of the substrate.
Осуществляют продувку камеры азотом с последующим напуском в камеру другого прекурсора озона 03 - под давлением 7 мбар в течение 10 - 20 сек. В результате протекания на поверхности подложки 1 химической реакции: The chamber is purged with nitrogen followed by the inlet of another precursor of ozone 0 3 into the chamber at a pressure of 7 mbar for 10 to 20 seconds. As a result of the occurrence of a chemical reaction on the surface of the substrate 1:
2 (СН3)3А1 + 6 03 = А1203 + 3 С02 + 9Н20 2 (CH 3 ) 3 A1 + 6 0 3 = A1 2 0 3 + 3 C0 2 + 9H 2 0
образуется монослой оксида алюминия. Здесь необходимо отметить, как было установлено, что только озон (как сильный окислитель) обеспечивает функционализацию поверхности графитовой фольги. Указанный выше температурный диапазон, как было установлено, обеспечивает наилучшую адгезию именно аморфного оксида алюминия к графитовой фольге. Выход за пределы указанного выше температурного диапазона температур приводит к отслаиванию оксида алюминия в том числе и за счет образования кристаллической фазы оксида алюминия. an alumina monolayer is formed. It should be noted here that it was found that only ozone (as a strong oxidizing agent) ensures the functionalization of the surface of graphite foil. The above temperature range has been found to provide the best adhesion of amorphous alumina to graphite foil. Going beyond the temperature range indicated above leads to peeling of alumina, including due to the formation of a crystalline phase of alumina.
Далее осуществляют продувку камеры азотом для устранения непрореагировавшего озона, а также продуктов реакции, а затем поочередную импульсную подачу в реакционную камеру упомянутых выше прекурсоров повторяют столько раз сколько обходимо для получения слоя 2 оксида алюминия требуемой толщины от 10 до 20 нм.  Next, the chamber is purged with nitrogen to eliminate unreacted ozone, as well as reaction products, and then the alternate pulse supply of the above-mentioned precursors to the reaction chamber is repeated as many times as necessary to obtain an alumina layer 2 of the required thickness from 10 to 20 nm.
Далее осуществляют нанесение слоя 3 из диоксида титана модификации рутил, конформного слою 2. Для этого осуществляют импульсную подачу в реакционную камеру при температуре 450- 500°С прекурсора, в качестве которого используют четыреххлористый титан (TiCl4) под давлением 7 мбар в течение 10-20 сек. За время этого импульса на поверхности слоя 2 оксида алюминия адсорбируется монослой четыреххлористого титана. После продувки камеры азотом осуществляют подачу в нее другого прекурсора - воды - в течение 10-20 сек. при давлении 7 мбар. В 0 000400 Next, a layer 3 of titanium dioxide is applied to modify the rutile conformal to layer 2. For this, a precursor is pulsed into the reaction chamber at a temperature of 450-500 ° C, using titanium tetrachloride (TiCl 4 ) under a pressure of 7 mbar for 10- 20 sec During this pulse, a monolayer of titanium tetrachloride is adsorbed on the surface of layer 2 of aluminum oxide. After purging the chamber with nitrogen, another precursor, water, is supplied to it for 10-20 seconds. at a pressure of 7 mbar. AT 0 000400
- 11 - результате протекания химической реакции:  - 11 - as a result of a chemical reaction:
TiCl4 +2 Н20 = Ti02 + 4 НС1 TiCl 4 + 2 H 2 0 = Ti0 2 + 4 HC1
на поверхности слоя 2 оксида алюминия образуется конформный ему монослой диоксида титана. Указанный выше температурный диапазон, как было установлено, обеспечивает наилучшую адгезию кристаллической модификации рутил диоксида титана к аморфному оксиду алюминия. Выход за пределы указанного выше диапазона температур приводит к отслаиванию диоксида титана. a conformal monolayer of titanium dioxide is formed on the surface of the alumina layer 2. The above temperature range has been found to provide the best adhesion of the crystalline modification of rutile titanium dioxide to amorphous alumina. Going beyond the above temperature range leads to the exfoliation of titanium dioxide.
Далее осуществляют продувку камеры азотом для удаления непрореагировавшей воды и продукта реакции - НС1. Затем описанную выше поочередную подачу четыреххлористого титана и воды повторяют столько раз, сколько необходимо для получения конформного слою 2 слоя из диоксида титана требуемой толщины: от 10 до 20 нм.  Next, purge the chamber with nitrogen to remove unreacted water and the reaction product - HC1. Then, the above-described alternate supply of titanium tetrachloride and water is repeated as many times as necessary to obtain a conformal layer of 2 layers of titanium dioxide of the required thickness: from 10 to 20 nm.
Далее на слой 3 из диоксида титана наносят конформный ему слой 4 нитрида титана. Для этого в реакционную камеру при температуре 460 - 490°С осуществляют импульсную подачу прекурсора, в качестве которого используют четыреххлористый титан под давлением 7 мбар в течение 10-20 сек. За время этого импульса на поверхности слоя 3 диоксида титана адсорбируется монослой четыреххлористого титана. После продувки реакционной камеры азотом осуществляют подачу в нее другого прекурсора - аммиака NH3 - в течение (10-20) сек. при давлении 7 мбар. В результате протекания на поверхности слоя 3 химической реакции: Next, a conformal layer 4 of titanium nitride is applied to the titanium dioxide layer 3 thereof. For this, a precursor is pulsed into the reaction chamber at a temperature of 460 - 490 ° С, which is used as titanium tetrachloride under a pressure of 7 mbar for 10-20 seconds. During this pulse, a monolayer of titanium tetrachloride is adsorbed on the surface of layer 3 of titanium dioxide. After purging the reaction chamber with nitrogen, another precursor, ammonia NH 3, is fed into it for (10-20) seconds. at a pressure of 7 mbar. As a result of the occurrence on the surface of layer 3 of a chemical reaction:
6 TiCl4 + 8 NH3 = б TiN + 24 НС1 + N2 6 TiCl 4 + 8 NH 3 = b TiN + 24 НС1 + N 2
на поверхности слоя 3 диоксида титана образуется конформный ему монослой нитрида титана. a conformal titanium nitride monolayer is formed on the surface of the titanium dioxide layer 3.
Здесь необходимо отметить, что как было установлено адгезия между слоями диоксида титана и нитрида титана лучше, чем между слоями оксида алюминия и нитрида титана . Это обстоятельство позволило признаки, касающиеся последовательности слоев 2, 3 и 4, включить в число существенных признаков патентуемого изобретения. Указанный выше температурный диапазон обеспечивает наилучшую адгезию между слоем 3 и слоем 4. Далее осуществляют продувку реакционной камеры азотом для удаления непрореагировавшего аммиака и продуктов реакции. После этого описанной выше поочередную подачу четыреххлористого титана и аммиака повторяют столько раз, сколько необходимо для получения конформного слою 3 слоя 4 из нитрида титана требуемой толщины: от 10 до 20 нм. It should be noted here that the adhesion between the layers of titanium dioxide and titanium nitride was found to be better than between the layers of aluminum oxide and titanium nitride. This circumstance allowed the features relating to the sequence of layers 2, 3 and 4 to be included among the essential features of the patented invention. The above temperature range provides the best adhesion between layer 3 and layer 4. Next, purge the reaction chamber with nitrogen to remove unreacted ammonia and reaction products. After this, the above-described alternate supply of titanium tetrachloride and ammonia is repeated as many times as necessary to obtain a conformal layer 3 of layer 4 of titanium nitride of the required thickness: from 10 to 20 nm.
Пример. Изготовленный патентуемым способом многослойный нанокомпозит для конденсаторов содержит подложку из графитовой фольги толщиной 0,3 мм плотностью 1,0 г/см3 и с удельной поверхностью 28 м2/г на лицевой поверхности которой (имеющей в плане площадь 25 мм2) расположен аморфный слой оксида алюминия толщиной 20 нм, слой диоксида титана модификации рутил толщиной 15 нм и конформный слою оксида алюминия, а также слой нитрида титана, конформный слою оксида титана и имеющий толщину 15 нм. Емкость этого многослойного нанокомпозита составляет 8·10~3 Ф а рабочее напряжение 20В. Таким образом, этот многослойный нанокомпозит может быть использован для изготовления конденсаторов для гибридных аккумуляторно-конденсаторных энергоустановок для автомобилей или для солнечных батарей. Example. The multilayer nanocomposite for capacitors made by the patented method comprises a substrate of graphite foil 0.3 mm thick with a density of 1.0 g / cm 3 and with a specific surface area of 28 m 2 / g on the front surface of which (with an area of 25 mm 2 in plan) there is an amorphous layer alumina with a thickness of 20 nm, a rutile modification titanium dioxide layer with a thickness of 15 nm and a conformal alumina layer, and a titanium nitride layer conformal with a titanium oxide layer and having a thickness of 15 nm. The capacity of this multilayer nanocomposite is 8 · 10 ~ 3 F and the operating voltage is 20V. Thus, this multilayer nanocomposite can be used for the manufacture of capacitors for hybrid battery-condenser power plants for cars or for solar panels.
Промышленная применимость .  Industrial applicability.
Промышленное применение патентуемого изобретения подтверждается также широкой известностью материалов, используемых при его осуществлении.  The industrial use of the patented invention is also confirmed by the wide popularity of the materials used in its implementation.

Claims

Формула изобретения. Claim.
1. Многослойный нанокомпозит для конденсаторов, содержащий подложку с лицевой развитой поверхностью, а также слой аморфного оксида алюминия и слой нитрида титана, отличающийся тем, что он дополнительно содержит слой диоксида титана модификации рутил, при этом подложка выполнена электропроводящей из графитовой фольги плотностью от 0,27 до 1,2 г/см3, полученной одноосным прессованием терморасширенного графита, а на лицевой поверхности подложки последовательно расположены слой оксида алюминия, слой диоксида титана и слой нитрида титана, сформированные методом атомно-слоевого осаждения и имеющими толщину от 10 до 20 нм. 1. A multilayer nanocomposite for capacitors, containing a substrate with a front developed surface, as well as an amorphous alumina layer and a titanium nitride layer, characterized in that it further comprises a rutile modification titanium dioxide layer, the substrate being made of a conductive graphite foil with a density of 0, 27 to 1.2 g / cm 3 obtained by uniaxial pressing of thermally expanded graphite, and on the front surface of the substrate there are successively arranged an alumina layer, a titanium dioxide layer and a titanium nitride layer, spho Framed by atomic layer deposition and having a thickness of 10 to 20 nm.
2. Способ изготовления многослойного нанокомпозита для конденсаторов, включающий последовательное нанесение слоев на подложку с развитой лицевой поверхностью методом атомно- слоевого осаждения, отличающийся тем, что на лицевую поверхность подложки из графитовой фольги плотностью от 0,27 до 1,2 г/см3, полученной одноосным прессованием терморасширенного графита, последовательно наносят слой оксида алюминия, слой диоксида титана и слой нитрида титана, при этом нанесение слоя оксида алюминия ведут при температуре 270-330 °С путем поочередной импульсной подачи в реакционную камеру прекурсоров в качестве которых используют триметилалюминий и озон, нанесение слоя диоксида титана ведут при температуре 450-500°С путем поочередной импульсной подачи в реакционную камеру прекурсоров, в качестве которых используют четыреххлористый титан и воду, нанесение слоя нитрида титана ведут при температуре 460- 90 °С путем поочередной импульсной подачи в реакционную камеру прекурсоров, в качестве которых используют четыреххлористый титан и аммиак, а поочередное удаление упомянутых выше прекурсоров осуществляют продувкой реакционной камеры азотом. 2. A method of manufacturing a multilayer nanocomposite for capacitors, including the sequential deposition of layers on a substrate with a developed front surface by atomic layer deposition, characterized in that on the front surface of a substrate of graphite foil with a density of from 0.27 to 1.2 g / cm 3 , obtained by uniaxial pressing of thermally expanded graphite, an alumina layer, a titanium dioxide layer and a titanium nitride layer are successively applied, while the alumina layer is applied at a temperature of 270-330 ° C by alternating and pulse feeding precursors into the reaction chamber using trimethylaluminium and ozone; applying a layer of titanium dioxide is carried out at a temperature of 450-500 ° C by alternately pulsing feeding precursors into the reaction chamber, using titanium tetrachloride and water, applying a layer of titanium nitride is carried out at temperature 460-90 ° С by alternating pulsed feed of precursors into the reaction chamber, which use titanium tetrachloride and ammonia, and alternating removal of the precursors mentioned above carried out in the reaction chamber by purging with nitrogen.
PCT/RU2010/000400 2010-07-14 2010-07-19 Multilayered nanocomposite for capacitors and method for manufacturing same WO2012008866A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010129130 2010-07-14
RU2010129130/07A RU2432634C1 (en) 2010-07-14 2010-07-14 Multilayer nanocomposite for capacitors and method of its manufacturing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012008866A1 true WO2012008866A1 (en) 2012-01-19

Family

ID=44998193

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2010/000400 WO2012008866A1 (en) 2010-07-14 2010-07-19 Multilayered nanocomposite for capacitors and method for manufacturing same

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2432634C1 (en)
WO (1) WO2012008866A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014007670A1 (en) * 2012-07-04 2014-01-09 Общество С Ограниченной Ответственностью "Товарищество Энергетических И Электромобильных Проектов" Double layer capacitor electrode

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2495752C1 (en) * 2012-04-02 2013-10-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (ИНХ СО РАН) Method of producing composite including laminar graphite- and molybdenum sulphide-based materials
RU2522947C2 (en) * 2012-11-19 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХТТМ СО РАН) Supercapacitor with inorganic composite electrolyte (versions)
RU2525488C1 (en) * 2013-01-18 2014-08-20 Закрытое акционерное общество "УНИХИМТЕК" (ЗАО "УНИХИМТЕК") Method of manufacturing low-density materials and low-density material
RU2572816C2 (en) * 2013-12-05 2016-01-20 Общество с ограниченной ответственностью "Химическая сборка наноматериалов" Multilayer nanocomposite for two-coating capacitors and method of its manufacture
RU2653399C2 (en) * 2016-09-15 2018-05-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) Method of amorphous oxide of aluminum coating by reactive evaporation of aluminum in low pressure discharge
RU2676719C1 (en) * 2018-02-14 2019-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук Method of low-temperature application of nanocrystalline coating from alpha-oxide aluminum
CN108585876B (en) * 2018-03-26 2021-02-02 青岛桥海陶瓷新材料科技有限公司 Preparation method of titanium nitride nano powder
WO2022090300A1 (en) * 2020-10-30 2022-05-05 Micro Energy Technologies Gmbh Electrolytic capacitor components and manufacturing methods

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5414588A (en) * 1993-09-20 1995-05-09 The Regents Of The University Of California High performance capacitors using nano-structure multilayer materials fabrication
US5742471A (en) * 1996-11-25 1998-04-21 The Regents Of The University Of California Nanostructure multilayer dielectric materials for capacitors and insulators
US20050164466A1 (en) * 2004-01-28 2005-07-28 Zheng Lingyi A. Methods for forming small-scale capacitor structures
RU75784U1 (en) * 2007-11-15 2008-08-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет" (ГОУ "СПбГПУ") ELECTRIC CAPACITOR WITH HIGH DIELECTRIC PERMISSIBILITY BASED ON FERROELECTRIC NANOCLUSTERS

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5414588A (en) * 1993-09-20 1995-05-09 The Regents Of The University Of California High performance capacitors using nano-structure multilayer materials fabrication
US5742471A (en) * 1996-11-25 1998-04-21 The Regents Of The University Of California Nanostructure multilayer dielectric materials for capacitors and insulators
US20050164466A1 (en) * 2004-01-28 2005-07-28 Zheng Lingyi A. Methods for forming small-scale capacitor structures
RU75784U1 (en) * 2007-11-15 2008-08-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет" (ГОУ "СПбГПУ") ELECTRIC CAPACITOR WITH HIGH DIELECTRIC PERMISSIBILITY BASED ON FERROELECTRIC NANOCLUSTERS

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014007670A1 (en) * 2012-07-04 2014-01-09 Общество С Ограниченной Ответственностью "Товарищество Энергетических И Электромобильных Проектов" Double layer capacitor electrode

Also Published As

Publication number Publication date
RU2432634C1 (en) 2011-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2432634C1 (en) Multilayer nanocomposite for capacitors and method of its manufacturing
Osada et al. High-κ dielectric nanofilms fabricated from titania nanosheets
Choudhary et al. Synthesis of large scale MoS2 for electronics and energy applications
JP5610348B2 (en) Dielectric film, dielectric element and manufacturing method thereof
JP5099710B2 (en) Capacitor and manufacturing method thereof
Kukli et al. Atomic layer deposition and chemical vapor deposition of tantalum oxide by successive and simultaneous pulsing of tantalum ethoxide and tantalum chloride
GB201207763D0 (en) Hybrid capacitor
TW201527579A (en) Method for forming Ti-containing film by PEALD using TDMAT or TDEAT
An et al. Plasma processing for crystallization and densification of atomic layer deposition BaTiO3 thin films
Mattinen et al. Nucleation and conformality of iridium and iridium oxide thin films grown by atomic layer deposition
Schindler et al. Enhanced step coverage of TiO2 deposited on high aspect ratio surfaces by plasma-enhanced atomic layer deposition
Ma et al. Organization of artificial superlattices utilizing nanosheets as a building block and exploration of their advanced functions
WO2013164577A1 (en) Coated structured surfaces
Ayouchi et al. Compositional, structural and electrical characterization of barium titanate thin films prepared on fused silica and Si (111) by spray pyrolysis
US9153640B2 (en) Process for forming a capacitor structure with rutile titanium oxide dielectric film
KR101736975B1 (en) Multi-layered graphene film, energy storage device using multi-layered graphene film as electrode and methods of manufacturing multi-layered graphene film and energy storage device
RU2444078C1 (en) Method to manufacture laminate nanostructure for double-plate capacitors
US20210110975A1 (en) Dielectric monolayer thin film, capacitor and semiconductor device each including the same, and method of forming the dielectric monolayer thin film
JP4104899B2 (en) Porous titanium oxide thin film and method for producing the same
KR20080084434A (en) Mim capacitor and method for fabricating the same
RU2533010C2 (en) Method of producing planar condenser of extended capacity
KR20200136575A (en) Semiconductor device including a two-dimensional perovskite dielectric film and manufacturing method thereof
Antonova et al. Thin V 2 O 5 films synthesized by plasma-enhanced atomic layer deposition for memristive applications
Akbari et al. Tailoring Two-Dimensional Semiconductor Oxides by Atomic Layer Deposition
EP4244184A2 (en) Three-dimensional high aspect ratio graphene film composites

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10854792

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 03/07/2013)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 10854792

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1