[发明专利]一种双脉冲飞秒激光沉积超高频率响应超级电容的方法

说明书

本发明涉及一种双脉冲飞秒激光沉积超高频率响应超级电容的方法，属于飞秒激光应用技术领域。本发明采用时域整形的双脉冲飞秒激光结合脉冲激光自下而上沉积的制造方法成功制备了一种具有超高频率响应特性的超级电容，该方法为研究超高频响应超级电容提供了一个新颖的角度，有望在未来应用于小型化便携式电子设备的超高频滤波单元上。对于该方法，一方面经过双脉冲飞秒激光加工的碳材料具有丰富且均匀的孔径分布和高的比表面积，另一方面脉冲激光自下而上原位转移沉积碳材料使得电极材料的堆叠均匀有序。

技术领域

本发明涉及一种双脉冲飞秒激光沉积超高频率响应超级电容的方法，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

随着工业4.0的到来，小型化便携式电子设备的快速发展大大增加了对轻质、灵活和可持续的微型超级电容器(MSCs)的需求。滤波器件是一种重要的无源元件，是集成电路中不可缺少的元件。众所周知，常用的滤波装置是电解电容器(AECs)，铝电解电容器由于其时间常数τ_RC为8.3ms而被广泛用于交流线路滤波。然而，它们自身的结构缺陷，包括大质量、大体积和低电容，使得它们不适合当今电子设备的小型化和便携式发展。因此，减小滤波装置的尺寸对于实现更高的集成度和可穿戴便携式电子设备的小型化至关重要。另外由于增加交流工作频率有利于减小变压器尺寸，因此将具有高频响应特性的微型超级电容器用作滤波装置至关重要，也是航空航天和军事制造商对未来电子设备小型化的要求。但是超级电容的化学制备方法一般比较复杂且在一定程度上污染环境，而激光制备超级电容是一种绿色且简单的方法，一般是通过调控材料的局部瞬时特性来使材料发生相变或化学结构变化，是一种原位高精度的超级电容制备方法。为了制备高频率响应超级电容，电极材料的性质十分重要，脉冲激光沉积的引入使得制备的电极材料堆叠结构发生变化，使制备的薄膜更加均匀，但是传统的脉冲激光沉积技术需要在一套脉冲激光沉积系统里进行，会使超级电容的制备过程变得更加繁琐。

因此，能发明一种制备超高频率响应特性的微型超级电容器的方法，显得十分重要。而决定其滤波性能的关键因素就是电极材料的设计，时域整形飞秒激光和自下而上脉冲激光沉积的引入对聚酰亚胺被转化为多孔碳材料非常关键，时域整形飞秒激光通过设计飞秒激光的时域光场分布来调控双脉冲飞秒激光的脉冲延时，可以调控聚酰亚胺的局部瞬时电子动态和局部瞬时材料特性，进而调控了生成的多孔碳材料的纳米结构变化，而自下而上的脉冲激光沉积使得生成的多孔碳的堆叠分布均匀且规则。由于本方法属于激光直写加工，因此还可以根据需求对加工电极的形状进行个性化设计。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种双脉冲飞秒激光沉积超高频率响应超级电容的方法。该方法采用时域整形的双脉冲飞秒激光结合脉冲激光自下而上沉积的制造方法成功制备了一种具有超高频率响应特性的超级电容，该方法为研究超高频响应超级电容提供了一个新颖的角度，有望在未来应用于小型化便携式电子设备的超高频滤波单元上。对于该方法，一方面经过双脉冲飞秒激光加工的碳材料具有丰富且均匀的孔径分布和高的比表面积，另一方面脉冲激光自下而上原位转移沉积碳材料使得电极材料的堆叠均匀有序。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种双脉冲飞秒激光沉积超高频率响应超级电容的方法，是通过飞秒激光一步法加工碳基前体薄膜材料且原位转移、沉积制备多孔碳电极；进一步将电极用于制备超高频率响应的超级电容。

具体实现方法为：将碳基前体薄膜材料在去离子水、异丙醇和丙酮(体积比为1：1：1)的混合溶液中超声处理10分钟以去除表面杂质，然后在干燥箱中干燥。将干燥后的薄膜裁剪成合适大小固定到加工平台上，再将透明基底覆盖在预处理过的碳基前体薄膜材料的上表面。通过电脑控制加工平移台，调节飞秒激光的焦点使之位于透明基底与碳基前体薄膜材料的交界面处；然后按照指定的路径进行飞秒激光直写加工，在透明基底上沉积出微型超级电容的电极，最后在电解质溶液里测得了其超高频率响应特性。

所述碳基前体薄膜材料包括：聚酰亚胺(PI)薄膜，氧化石墨烯薄膜等碳基薄膜。