[发明专利]一种超快激光单次制备多个微型电容集成化的方法

说明书

本发明涉及一种超快激光单次制备多个微型电容集成化的方法，属于微纳米制造领域。本发明的目的是解决现有技术加工效率低下，不灵活且精度与性能不稳定的缺点。本发明通过超快激光对二维材料进行局部选区电子动态调控，进而产生去除和烧蚀，最终可以在激光光斑面积内单次曝光实现多种超微型电容器串并联集成化制备；此方法制备效率极高、过程简单，利用这种方法制备的微型超级电容器尺寸、形状、性能、集成化形式皆灵活可调。这种单次曝光制备多个电容器集成化的方法将推动微型能源器件乃至微电子行业的发展，颠覆传统光刻加工方法，实现超高效率高性能器件集成化制造。

技术领域

本发明涉及一种超快激光单次制备多个微型电容集成化的方法，属于微纳米制造领域。

背景技术

近年来，微型电子器件在航空航天、生物医疗、自动化制造、柔性器件、便携设备等领域的快速发展，其日益增强的功能、处理速度和可靠性对储能器件的微小型化展现出急迫的需求。微型电容器，又称作微型超级电容，作为典型的储能器件被广泛研究和深入探讨。

二维材料的诞生使得人类科学在各个方面获得了长足的进步。诸如石墨烯、金属相硫化钼等二维材料片层具有优异的导电性和丰富的活性边缘，进一步堆叠导致的比表面积提高使得其电容性能获得大幅提高。因此以丰富二维材料种类为活性物质的微型电容在不断发展壮大。

制备微型能源器件是人类发展的重中之重，各种先进制造技术都在不遗余力从各个方面解决微型能源器件的问题与挑战。单个的微型超级电容器制备方法目前多种多样：包括传统激光划刻、光刻加工、聚焦离子束刻蚀、电化学加工等各具优势，但同时问题也十分明显。光刻方法需要提前制备掩膜，工艺流程复杂容易引入外来杂质；聚焦离子束刻蚀需要极高的真空环境，成本高昂，难以大规模制备生产；电化学沉积等方法效率低下，且次品率高。更重要的是，上述方法所制备的微型超级电容器在效率、性能、微型化和集成化程度上都相对低下，且难以兼容多个优势，在一定程度上限制了微型超级电容集成化制造的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种超快激光单次制备多个微型电容集成化的方法，该方法通过实现目标光场的单像素设计对超快激光进行空间整形，将高斯光斑整形为多个微型电容串并联的光斑形状，对具有电化学活性的二维材料进行局部电子动态调控，产生去除，从而实现一步法单次曝光制备多个微型超级电容串并联的集成化。

为实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种超快激光单次制备多个微型电容集成化的方法，包括如下步骤：

步骤一：设计多种形状或单一形状微型超级电容串并联集成化的图案，通过单像素方法处理图像，使其图案每一条线段的宽度为一个像素点，生成多个电容图案阵列且相互连接形成串并联集成系统的目标光场；

步骤二：通过计算机傅里叶变换迭代算法生成与目标光场相对应的相位图；

步骤三：搭建超快激光空间整形加工系统；

步骤四：通过步骤二生成的对应相位图与步骤三搭建的加工系统对超快激光初始的高斯分布圆形光斑整形为多电容集成图案的光场，并聚焦在二维材料薄膜电极材料表面。通过控制超快激光的加工参数，获得满足需求和设计的特定位置去除，形成一个光斑内的剩余材料构成多个超级电容集成化串并联的一次性加工；

步骤五：在步骤四中加工好的二维材料微型电容器上滴涂电解质溶液，并静止12小时，使其充分浸入微型电容器，得到组装好的微型超级电容器阵列。

作为优选，步骤二中所选用的自编程序基于GS算法，且设计图案为单像素精度以保证加工结果的精度最优性，使得去除材料的精度达到300nm；