轉(zhuǎn)自：大國重器

　　芬蘭愛爾蘭延德爾國家研究院（VTT）技術(shù)研究中心的研究人員結(jié)合微納加工工藝和新研究出的新型混合納米材料，研究出能與硅基微電子器件單片集成的的微型超級(jí)電容器。該超級(jí)電容器具備超高能量和集成度優(yōu)勢(shì)，有望帶來新的移動(dòng)用集成器件，以及為未來物聯(lián)網(wǎng)所需零功耗自治器件的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

　　超級(jí)電容器
　　超級(jí)電容器類似電化學(xué)電池。與移動(dòng)手機(jī)中鋰電池通過化學(xué)反應(yīng)來存儲(chǔ)能量不同的是，超級(jí)電容器主要存儲(chǔ)電解液和固態(tài)電極界面間的靜電電能，其能量和功率密度依賴于存儲(chǔ)電荷的表面積和固態(tài)電極的導(dǎo)電性，應(yīng)用場(chǎng)合小到電動(dòng)工具、大到電動(dòng)汽車。

　　技術(shù)核心
　　VTT研發(fā)了一個(gè)混合納米材料電極。該電極由厚達(dá)幾微米的多孔硅層組成，多孔硅上又采用原子層淀積（ALD）工藝涂覆了厚約10納米的氮化鈦層。通過利用氮化鈦理想的電化學(xué)特性和多孔硅矩陣增大的面積，使電化學(xué)雙層電容器（EDLC）達(dá)到理想特性。需要指出的是，由于最高可達(dá)1:1000的縱深比，要在多孔硅上實(shí)現(xiàn)氮化鈦層的涂覆并不容易。

　　工藝過程
　　研究人員首先在體硅中刻蝕出微通道，接著在微通道的側(cè)壁上形成混合納米材料電極，以及增加觸點(diǎn)；然后在兩個(gè)混合電極之間形成的微通道中填充離子液體，實(shí)現(xiàn)小體積、高能效的能量存儲(chǔ)。

　　成果圖示

圖為片內(nèi)多孔硅-氮化鈦超級(jí)電容器

　?。╝）帶有分離電極的溝道的掃描電鏡顯微鏡（SEM）圖片

　　（b）兩個(gè)相反電極橫截面示意圖（還展現(xiàn)了背面帶有氮化鋁覆膜的多孔硅層和鋁接觸點(diǎn)）

　?。╟）多孔硅的高倍放大SEM圖像

　　（d）器件溝道表面

　?。╡）金屬化（包括為實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器電極的鋁接觸）

　　（f）循環(huán)伏安法曲線

　　性能指標(biāo)
　　研究人員表示，此次突破使硅基微型超級(jí)電容器具有卓越的性能，其功率、能量和使用壽命等指標(biāo)首次可與碳和石墨烯基器件相競(jìng)爭(zhēng)。

　　研究人員制作了幾個(gè)多孔硅層厚度不等（最高到7微米）的超級(jí)電容器。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，電容值最高達(dá)到15F/cm3，能量密度最高達(dá)到1.3mWh/cm3，功率密度最高達(dá)到214W/cm3，上述指標(biāo)在1.3萬次循環(huán)中保持穩(wěn)定；而受限于測(cè)試時(shí)間，有記錄的最大循環(huán)周期達(dá)到5萬次，且未觀察到多孔硅-氮化鈦電極材料出現(xiàn)退化。（另一報(bào)道的測(cè)試數(shù)據(jù)是，演示的片內(nèi)超級(jí)電容器技術(shù)能夠在1cm2硅芯片上存儲(chǔ)0.2J和產(chǎn)生高達(dá)2W的功率）。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)多孔硅層越厚，電容值越大。通過數(shù)據(jù)外推，估計(jì)采用20微米厚多孔硅層和相同的電極結(jié)構(gòu)，器件的電能存儲(chǔ)能力達(dá)到50mF/cm2。

　　應(yīng)用領(lǐng)域
　　微型超級(jí)電容器能夠直接集成到有源微電子器件中，可存儲(chǔ)由不同熱、光和震動(dòng)能量收集器產(chǎn)生的電能，然后在需要的時(shí)候進(jìn)行供電，同時(shí)其上還可集成有源微電子器件和傳感器等，對(duì)自治傳感器網(wǎng)絡(luò)、可穿戴電子和物聯(lián)網(wǎng)用移動(dòng)電子設(shè)備帶來巨大益處。

　　意義
　　多孔硅層的橫向厚度和溝道的長度有力地拓展了整個(gè)電容器的儲(chǔ)電量。而且，整個(gè)制造工藝不超過450攝氏度，并與CMOS工藝兼容，使得能量存儲(chǔ)器件可用平面芯片最常用的體硅襯底來制作，并實(shí)現(xiàn)與硅器件的單片集成。

　　下一步發(fā)展
　　由于上述超級(jí)電容器是敞蓋的，研究人員下一步將研究對(duì)該超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn)密封，以及尋找各種固態(tài)電解液。此外，還將尋找合作伙伴以幫助實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化。潛在感興趣的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)包括嵌入式無源器件或單獨(dú)的表貼式硅超級(jí)電容器。