[发明专利]一种高能量密度电容器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子材料元件领域，具体涉及基于大长度/直径比的孔状结构的高能量密度纳米电容器的制备方法。 

背景技术

近10年来随纳米技术的发展，各种新型的纳米材料如：碳纳米管、石墨烯等新颖的电子材料被应用于高性能的储能器件中，由于这类纳米材料具有较大的比表面积及高的表面、界面活性，通过超薄化的界面结构及器件结构的微型化极大的提高了储能电容器（尤其是超级电容器）的性能，同时这些纳米材料的使用也为构筑纳米尺度的储能电容器提供了重要的技术支撑。

目前下一代储能系统对微/纳米尺度储能器件的需求越来越迫切，这必然要求发展能为MEMS和纳米电子线路提供能源的纳米电池或纳米电容器，而目前的纳米储能电容器在尺寸和储能密度上远未达到要求。而且目前有关纳米结构材料应用于纳米电容器的研究大多集中于电化学电容器方面，而在传统的静电电容器方面的报道较少。由于纳米结构尤其是纳米多孔结构拥有巨大的比表面积，因此一种有效的方法是在开放的纳米结构内部构筑大面积的超薄器件结构。因此针对静电电容器的微/纳米化，采用高密度薄膜及界面体系的器件结构为主要的探索方向。

近年来用有序阵列化的纳米结构来构筑纳米静电电容器已有报道。Kemell等采用电化学方法获得多孔硅纳米结构，然后在其纳米结构内制备了Si/Al₂O₃/ZnO:Al的电容器阵列结构，在金属材料的沉积中采用了原子层沉积（ALD）方法，保证了纳米电容器的超薄结构。Roozeboom等通过刻蚀多孔硅的方法获得了一种超深多孔结构，在这种结构内部制备了高性能的MOS电容器阵列结构。在阵列纳米孔模板法中，由于多孔阳极氧化铝（AAO）模板是制备均匀有序纳米电子材料的理想无机模板，便于制作高度集成，低造价的纳米器件。Shelimov等人首先在AAO模板中构筑了金属-绝缘体-金属（MIM）结构的纳米电容器，电容器的容量达到了13μF/cm²。Sohn等人也采用多孔氧化铝模板制备了一种MIM纳米电容器器阵列结构，并采用碳纳米管作为纳米电容器的电极材料。国内刘玲等人通过在AAO模板内组建导电聚合物电极，获得了聚吡咯（PPy）/TiO₂/PPy纳米电容器，利用导电聚合物纳米结构的快速氧化还原过程获得了充放电性能良好的纳米电容器，可在纳米微机电系统和纳米电子线路系统的化学电源中有良好的应用前景。

最近，马里兰大学的Banerjee等人ALD沉积技术在多孔氧化铝纳米结构中制备超薄金属-绝缘体-金属纳米电容器及阵列结构。这种高度有序的阵列结构具有较大的比电容器，大大超过了以前所报道的在多孔模板中制备的纳米静电电容器的比容量。所报道的纳米电容器容量最大达到了约100μF/cm²，其功率密度（>1×10⁶ W kg^-1）达到了静电电容器的水平，而能量密度（0.7 Wh kg^-1）接近电化学超级电容器的水平，这种纳米电容器阵列结构同时具有高的能量密度和功率密度的优点，可以作为一种新颖的具有高释放密度的储能电容器。

但是目前有关纳米电容器及阵列制备还有许多关键性问题有待解决，纳米电容阵列由于尺寸太小还不能储存较多能量，同时多个阵列结构的互联也存在一定问题，如何保证扩大比例同时所有电容器正常工作还有待进一步研究。如何实现纳米电容器各结构稳定组装、稳定工作以及大面积阵列的制造仍然是急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种高能量密度纳米电容器的制备方法，该方法所制备的基于纳米结构的纳米电容器克服了现有技术中所存在的缺陷，并且制备方法合理简单，易于操作。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：一种高能量密度电容器的制备方法，包括如下步骤：

①将柔性多孔聚碳酸酯基体材料进行表面等离子体处理； 

②采用真空蒸发的方法在经表面等离子体处理的多孔聚碳酸酯基体材料上制备金属纳米薄膜作为电容器的一个电极； 

③采用原子层沉积方法在金属纳米薄膜表面沉积介电纳米薄膜作为电容器介质材料； 

④采用原子层沉积方法继续在介电纳米薄膜表面沉积金属纳米薄膜作为另一个电极，从而在多孔纳米结构中获得一种金属-金属氧化物-金属的电容器结构。

进一步地，步骤②中所述的金属纳米薄膜为Au或Cu金属纳米薄膜。