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電容器。該超級電容器具備超高能量和集成度優(yōu)勢，有望帶來新的移動用集成器件，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)。

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

　　技術(shù)核心
　　VTT研發(fā)了一個混合納米材料電極。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。

　　成果圖示

圖為片內(nèi)多孔硅-氮化鈦超級電容器

　?。╝）帶有分離電極的溝道的掃描電鏡顯微鏡（SEM）圖片

　?。╞）兩個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)）

　　（c）多孔硅的高倍放大SEM圖像

　?。╠）器件溝道表面

　?。╡）金屬化（包括為實(shí)現(xiàn)超級電容器電極的鋁接觸）

　?。╢）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爭。

　　研究人員制作了幾個多孔硅層厚度不等（最高到7微米）的超級電容器。根據(jù)測試結(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；而受限于測試時間，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。（另一報道的測試數(shù)據(jù)是，演示的片內(nèi)超級電容器技術(shù)能夠在1cm2硅芯片上存儲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)，器件的電能存儲能力達(dá)到50mF/cm2。

　　應(yīng)用領(lǐng)域
　　微型超級電容器能夠直接集成到有源微電子器件中，可存儲由不同熱、光和震動能量收集器產(chǎn)生的電能，然后在需要的時候進(jìn)行供電，同時其上還可集成有源微電子器件和傳感器等，對自治傳感器網(wǎng)絡(luò)、可穿戴電子和物聯(lián)網(wǎng)用移動電子設(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電容器的儲電量。而且，整個制造工藝不超過450攝氏度，并與CMOS工藝兼容，使得能量存儲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
　　由于上述超級電容器是敞蓋的，研究人員下一步將研究對該超級電容器實(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)的表貼式硅超級電容器。