[发明专利]一种固态超级电容器的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电容器制备技术领域，具体涉及用于电能存储的固态超级电容器的制备方法。

背景技术

在用于能量存储的电子器件中，纳米超级电容因为同时拥有高的能量和功率密度得到了广泛的关注。纳米超级电容的基本思想是首先形成具有较大表面积的多孔结构，然后利用这种多孔结构作为制备模板形成金属/绝缘体/金属（MIM）型电容。基于这种思想，十多年来研究者先后采用阳极氧化铝和硅深槽结构制备出了纳米超级电容。阳极氧化铝的原理是高纯度的铝片经阳极氧化可以在氧化铝表面形成高密度（10¹⁰ cm^-2）有序的、六方形阵列的多孔结构，并且通过工艺条件的控制可以获得不同直径（30～80nm）和深度的孔。这种阳极氧化铝制备工艺因为是一种电化学工艺，制备起来比较复杂，重复性较差，而且模板本身比较脆弱，容易损坏，所以不利于大批量生产[1]。关于硅深槽结构的制备，首先采用光刻和刻蚀技术形成金属纳米阵列，然后借助金属辅助刻蚀工艺在硅片上形成深槽阵列，最后以这些深槽阵列作为模板制备出MIM电容。通过这种工艺制备出的纳米结构深槽阵列具有可控性，此外硅材料具有很好的机械强度，不易损坏。由于该方法是通过光刻技术形成金属纳米阵列，因此其纳米阵列的密度受光刻设备特性决定，并且通常的光刻工具很难获得高密度的金属纳米阵列，因此欲获得高密度金属纳米阵列，将面临着高成本投入[2]。

参考文献：

[1]Parag Banerjee, Israel Perez, Laurent Henn-Lecordier, Sang Bok Lee and Gary W. Rubloff. Nanotubular metal–insulator–metal capacitor arrays for energy storage[J].Nature nanotechnology 4(2009).

[2] Shih-wei Chang, Jihun Oh, Steven T. Boles, and Carl V. Thompson. Fabrication of silicon nanopillar-based nanocapacitor arrays[J]. Appl. Phys. Lett. 96, 153108 (2010)。

发明内容

本发明的目的在于提出一种工艺简单，成本低廉，不易损坏而且有可大批量生产的制备纳米固态超级电容器的方法。

本发明提出的制备纳米固态超级电容器的方法，是采用金属纳米晶作为催化剂刻蚀单晶硅来制作得纳米超级电容，具体步骤为： 

（1）在重掺杂的单晶硅片上热氧化形成一层二氧化硅薄膜； 

（2）在二氧化硅薄膜上淀积一层具有催化作用的金属薄膜；

（3）对金属薄膜进行快速热退火处理，形成金属纳米晶阵列；

（4）以金属纳米晶作为催化剂，使用氢氟酸和双氧水的混合溶液对硅片进行刻蚀，从而在硅片上形成深槽阵列；

（5）在深槽的表面淀积一层绝缘介质，如高介电常数氧化锆介质；

（6）在绝缘介质的表面淀积一层种子金属层；

（7）在种子金属层的表面电镀一层金属作为电容的正电极。

 本发明中，所述的二氧化硅厚度是2～6纳米 。

本发明中，所述的金属纳米晶可以是金、银、铂或钯。该金属纳米晶的直径是30～50纳米。金属纳米晶阵列的密度可控制在10¹⁰～10¹¹cm^-2。

本发明中，所用的腐蚀液是氢氟酸(体积分数49%)和双氧水(体积分数30%)的混合溶液，2种组分的体积比范围为5:1-15:1。

本发明中，所述超级电容器采用重掺杂的硅作为负电极。

本发明中，所述绝缘介质采用Al₂O₃、HfO₂、Ta₂O₅或ZrO₂。其厚度可以是10～20纳米。

本发明中，所述种子金属层采用TiN、TaN或W。其厚度可以是5～10纳米。

本发明中，所述正电极采用Ni或Cu。其厚度可以是200～500纳米。

本发明中，所述快速热退火处理，热退火温度为700～800℃，热退火时间为10－30秒。