專利名稱：一種基于柔性襯底的固態(tài)超級電容器及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于儲能器件技術領域，具體涉及一種采用柔性材料作為襯底的固態(tài)超級電容器及其制作方法。
背景技術：
在用于能量存儲的電子器件中，固態(tài)超級電容因為同時擁有高能量密度和高功率密度而得到了廣泛的關注。固態(tài)超級電容的基本思想是首先形成具有較大表面積的多孔結構，然后利用這種多孔結構作為制備模板形成金屬/絕緣體/金屬(MIM)型電容?；谶@種思想，十多年來研究者先后采用陽極氧化鋁[1]和硅深槽結構制備出了固態(tài)超級電容。在這些固態(tài)超級電容器中，襯底材料主要是玻璃、重摻雜的硅片或金屬鋁箔。雖然這種納米電容器具有高功率和高能量密度的優(yōu)點，但是其襯底不易彎折、重量較大等缺點限制了其廣泛的應用。與此同時，隨著在導電高分子研究上不斷取得突破，柔性電子學便應運而生。簡單來說，柔性電子學是指將有機/無機材料電子器件制作在柔性/可延展性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術[2，3]。這一技術涉及到機械、材料、物理、化學、電子學等多個學科， 其交叉學科的研究背景使得其備受關注，美國《科學》期刊將有機電子技術列為2000年世界十大科技進展之一。而柔性電子器件特別是柔性襯底以其獨特的柔性/延展性，重量輕， 易于攜帶，高效、低成本制造工藝等特點，在信息、能源、醫(yī)療、國防等領域具有廣泛應用前景。如可折疊智能手機、柔性電子顯示器、有機發(fā)光二極管0LED、印刷RFID、薄膜太陽能電池板、電子用表面粘貼(Skin Patches)等、屏幕顯示、衛(wèi)星等。正是在結合納米電容器和柔性襯底優(yōu)點的前提下，提出了柔性襯底納米電容器的發(fā)明。參考文獻P. Banerjee, I. Perez, L. Henn-Lecordier, S. B. Lee and G. W. Rubloff. Nanotubular metal-insulator-metal capacitor arrays for energy storage. Nature Nanotechnology 4,292-296(2009).J.J. Hill, K. Haller, and K. J. Ziegler. Direct Fabrication of High-Aspect Ratio Anodic Aluminum Oxide with Continuous Pores on Conductive Glass. Journal of The Electrochemical Society 158，E1-E7 (2011)·S. Cho, S. Kim, N. -H. Kim, U. -J. Lee, S. -H. Jung, E. Oh, and K. -H. Lee. In Situ Fabrication of Density-Controlled ZnO Nanorod Arrays on a flexible Substrate Using Inductively Coupled Plasma Etching and Microwave Irradiation. The Journal of Physical Chemistry Letters 112, 17760-17763(2008).

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種功率密度和能量密度高，而且制作工藝簡單、柔韌性好、成本低的固態(tài)超級納米電容器。本發(fā)明提出的固態(tài)超級納米電容器，采用陽極氧化鋁作為制備模板，采用柔性材料作為襯底，并且在陽極氧化鋁模板和柔性襯底之間添加了黏附劑。具體地說，本發(fā)明固態(tài)超級納米電容器的結構為以柔性材料作為襯底，在該襯底上淀積有一層黏附劑，黏附劑層上為單通AAO (陽極氧化鋁)模板，采用ALD的方法，在AAO 模板的孔隙中依次淀積有底層金屬(下電極)、中間絕緣介質層和頂層金屬(上電極)，再在頂層金屬表面淀積有一層金屬作為頂部集流體，從而形成MIM電容結構。在以上所述的MIM結構里，所述柔性材料為聚合物，如聚四氟乙烯(Teflon)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚醚砜(PES)或聚芳酯(PAR)等。所述黏附劑材料可以是Ti或Cr ；所述底層金屬電極材料可以是TiN、TaN或Ru ；所述中間絕緣介質層材料可以是具有較高介電常數(shù)的Al2O3或Hf02、Ta2O5或&02，或它們之間的混合材料；所述頂層金屬電極材料可以是TiN、TaN或Ru，；所述頂部集流體材料可以是Al。這種納米電容器可以同時獲得高功率密度和能量密度，而且制作工藝簡單，易彎折，柔韌性好，成本低，封裝體積小。本發(fā)明還提出用于能量存儲的納米電容器的制作方法。該方法包括下列步驟
(1)在柔性襯底上淀積一層黏附劑；
(2)在黏附劑上淀積一層金屬鋁膜；
(3)對鋁膜進行兩次陽極氧化得到單通氧化鋁模板；
(4)在氧化鋁模板孔隙的表面淀積一層金屬作為下電極；
(5)在下電極表面淀積一層中間絕緣介質；
(6)在絕緣介質層表面淀積一層金屬作為上電極；
(7)在上電極表面淀積一層金屬作為頂部集流體。


圖1 在聚合物柔性襯底上淀積一層粘附劑。圖2 在聚合物柔性襯底上淀積一層金屬鋁。圖3 對金屬鋁進行兩次陽極氧化得到單通AAO模板。圖4:在氧化鋁模板孔隙的表面淀積一層金屬作為下電極。圖5:在下電極表面淀積一層中間絕緣介質。圖6 在絕緣介質表面淀積一層金屬作為上電極。圖7 在上電極表面淀積一層金屬作為頂部集流體。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳盡的說明。步驟1 請參照圖1，將柔性襯底200放進電子束蒸發(fā)系統(tǒng)或磁控濺射系統(tǒng)中淀積一層粘附劑201，其中200是聚四氟乙烯(Teflon)，厚度為200微米；201是鈦，厚度為1 10納米。步驟2 請參照圖2，在201表面通過電子束蒸發(fā)系統(tǒng)中淀積一層金屬202(純度為 99. 99%)，其中202是鋁，厚度為1 2微米。
步驟3 請參照圖3，對202采用傳統(tǒng)的兩次陽極氧化得到203，其中203是氧化鋁。 在這里兩次陽極氧化的工藝條件相同，均采用了濃度為0. 3M，溫度為0°C的硫酸溶液，陽極和陰極之間加25V直流電壓。通過控制陽極氧化時間可以獲得深度為10 100微米，直徑為30 80納米的孔。步驟4 請參照圖4，在203的納米孔內表面通過ALD方法淀積一層金屬204，204 是TiN，其厚度在5 15納米范圍內。步驟5 請參照圖5，在204的表面通過ALD方法淀積一層絕緣介質205，205是 Al2O3，其厚度在20 50納米范圍內。步驟6 請參照圖6，在205的表面通過ALD淀積一層金屬206，206是TiN，其厚度在5 15納米范圍內。同時，底層金屬204、絕緣介質205、金屬206三者厚度之和應該不小于納米孔的直徑。步驟7 請參照圖7，將制作有MIM結構的納米電容器襯底放入磁控濺射系統(tǒng)中，在 206表面淀積一層金屬207作為頂層集流體，207是鋁，其厚度為200 500納米。
權利要求
1.一種基于柔性襯底的固態(tài)超級電容器，其特征在于，以柔性材料作為襯底，在該襯底上淀積有一層黏附劑，黏附劑層上為單通陽極氧化鋁模板，在陽極氧化鋁模板的孔隙中依次淀積有底層金屬作為下電極、中間絕緣介質層、頂層金屬作為上電極，在頂層金屬表面淀積有一層金屬作為頂部集流體，從而形成MIM電容結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于柔性襯底的固態(tài)超級電容器，其特征在于，所述柔性材料為如下聚合物之一種聚四氟乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚醚砜、聚芳酯。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于柔性襯底的固態(tài)超級電容器，其特征在于，所述黏附劑是Ti或Cr。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的基于柔性襯底的固態(tài)超級電容器，其特征在于，所述下電極材料為TiN、TaN或Ru。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的基于柔性襯底的固態(tài)超級電容器，其特征在于，所述絕緣介質層材料為A1203、HfO2, Ta2O5或&02。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的基于柔性襯底的固態(tài)超級電容器，其特征在于，所述上電極材料為TiN、TaN或Ru。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的基于柔性襯底的固態(tài)超級電容器，其特征在于，所述頂部集流體材料是Al。
8.—種如權利要求1一7之一所述的基于柔性襯底的固態(tài)超級電容器的制備方法，其特征在于，具體步驟為(1)在柔性襯底上淀積一層黏附劑；(2)在黏附劑上淀積一層金屬鋁膜；(3)對鋁膜進行兩次陽極氧化得到單通氧化鋁模板；(4)在氧化鋁模板孔隙的表面淀積一層金屬作為下電極；(5)在下電極表面淀積一層絕緣介質；(6)在絕緣介質表面淀積一層金屬作為上電極；(7)在上電極表面淀積一層金屬作為頂部集流體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用柔性材料作為襯底的固態(tài)超級電容器。本發(fā)明所公開的固態(tài)超級電容器，在獲得高能量密度和高功率密度的同時，制作工藝簡單，成本較低，而且重量輕，可以卷折。該固態(tài)超級電容器的制作方法包括(1)在柔性襯底上淀積一層黏附劑；(2)在黏附劑上淀積一層金屬鋁膜；(3)對鋁膜進行兩次陽極氧化得到單通氧化鋁模板；(4)在氧化鋁模板孔隙的表面淀積一層金屬作為下電極；(5)在下電極表面淀積一層絕緣介質；(6)在絕緣介質表面淀積一層金屬作為上電極；(7)在上電極表面淀積一層金屬作為頂部集流體。
文檔編號H01G9/004GK102176378SQ20111005185
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月4日 優(yōu)先權日2011年3月4日
發(fā)明者丁士進, 李連杰 申請人:復旦大學