清華新聞網(wǎng)2月9日電 便攜式電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，加快了集成電路元件不斷朝著小型化、薄型化和集成化方向發(fā)展的步伐。然而，作為一種關(guān)鍵的無(wú)源元件，濾波電容器（FCs）長(zhǎng)期以來(lái)一直被所占空間最大的鋁電解電容器（AECs）和鉭電容器所主導(dǎo)，這對(duì)系統(tǒng)的小型化造成了巨大的挑戰(zhàn)。盡管微型超級(jí)電容器已被寄予厚望，以取代容量更大的商用AECs和鉭電容器，但它們?nèi)允苤朴谄渚徛念l率響應(yīng)（<1Hz），因此無(wú)法平滑殘留的交流紋波，無(wú)法滿(mǎn)足新興數(shù)字電路和便攜式電子產(chǎn)品對(duì)高頻濾波的應(yīng)用需求。這就需要通過(guò)納米技術(shù)開(kāi)發(fā)具有更高性能的新型電極材料，以滿(mǎn)足微型FCs對(duì)高電容的需求。納米級(jí)過(guò)渡金屬氮化物具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性高和本征高極性的優(yōu)點(diǎn)，在電化學(xué)儲(chǔ)能、能量轉(zhuǎn)換和傳感等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用潛力。然而，由于其超高的熔點(diǎn)，氮化物基納米結(jié)構(gòu)的可控制備仍然是一個(gè)復(fù)雜的挑戰(zhàn)。因此，在納米技術(shù)和電子元件技術(shù)領(lǐng)域，亟待以更可持續(xù)、可控和高效的方式開(kāi)發(fā)新型的過(guò)渡金屬氮化物納米結(jié)構(gòu)。
圖1. 激光誘導(dǎo)瞬態(tài)自組織LITN的形成過(guò)程示意圖及微觀(guān)結(jié)構(gòu)形貌
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院楊誠(chéng)副教授團(tuán)隊(duì)提出了一種激光誘導(dǎo)瞬時(shí)自組織納米結(jié)構(gòu)的快速制造方法，并制備了一種直徑在3-5nm左右的TiNx納米絲混沌分形滲流網(wǎng)絡(luò)（LITN）。通過(guò)調(diào)控激光加工的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，以及優(yōu)化等離子體場(chǎng)、溫度場(chǎng)、沖擊波效應(yīng)等多物理場(chǎng)作用，研究團(tuán)隊(duì)可以控制TiNx納米絲的形態(tài)、組成和晶體取向。圖1展現(xiàn)了LITN在不同時(shí)間尺度下可能的形成機(jī)制。它主要可以分為兩個(gè)階段：激光加熱和瞬時(shí)冷卻。整個(gè)LITN的形成過(guò)程涉及光子吸收、晶格振動(dòng)、相變、等離子體形成和反應(yīng)、凝結(jié)和自組織。在激光誘導(dǎo)沖擊波和光熱效應(yīng)的瞬態(tài)過(guò)程中，等離子體狀態(tài)的[Ti]和[N]相互反應(yīng)，形成TiNx納米團(tuán)簇。隨后，這些TiNx納米團(tuán)簇在多物理場(chǎng)環(huán)境中凝聚，表現(xiàn)出典型的自組織過(guò)程。如圖2所示，LITN表現(xiàn)出納米絲和介觀(guān)尺度的孔隙結(jié)構(gòu)。
圖2. LITN樣品的材料特征和原子尺度特征
LITN基表面貼裝濾波電容器（SMFCs）電極陣列的制備與半導(dǎo)體制造和封裝工藝完全兼容，可以滿(mǎn)足嵌入式元件的嚴(yán)格規(guī)范，表現(xiàn)出簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、高效和可持續(xù)的特點(diǎn)。LITN電極的三維介孔和良好的組織結(jié)構(gòu)可以提供豐富的電荷傳輸通道，并沿垂直和平面方向的阻礙最小。如圖3所示，LITN基SMFCs在水系電解質(zhì)溶液中實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)的循環(huán)壽命（2,000,000次），120Hz時(shí)的面積能量密度為0.92μWhcm-2，體積能量密度為9.17mWhcm-3，這在水系電化學(xué)電容器中是創(chuàng)紀(jì)錄的關(guān)鍵突破。
圖3. 在Na2SO4電解質(zhì)中LITN SMFCs的電化學(xué)性能
如圖4所示，與商用AEC樣品相比，LITN SMFC擁有幾乎相同的快速響應(yīng)能力。更關(guān)鍵的是，LITN SMFC還表現(xiàn)出優(yōu)異的交流線(xiàn)濾波性能，在120Hz時(shí)紋波電壓約為0.03 V，與商用AECs相當(dāng)。結(jié)合半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)，用激光直寫(xiě)技術(shù)制備的LITN SMFCs有望取代體積巨大的AECs，這將有利于新興的可穿戴電子設(shè)備、移動(dòng)電源、電器以及物聯(lián)網(wǎng)上的分布式能量采集和供電的小型化，極大地促進(jìn)高性能數(shù)字電路和新興電子技術(shù)的發(fā)展。該方法不僅為創(chuàng)造新的低維過(guò)渡金屬氮化物鋪平了道路，而且還為開(kāi)發(fā)高度集成的先進(jìn)微器件提供了啟示。
圖4. 水系LITN SMFC的制備及其濾波性能
相關(guān)研究成果近日以“激光誘導(dǎo)瞬時(shí)自組織的TiNx納米絲滲流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于高性能表面貼裝濾波電容器”（Laser-induced Transient Self-organization of TiNxNano-filament Percolated Networks for High Performance Surface-mountable Filter Capacitors）為題發(fā)表在國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。
本文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院材料研究院楊誠(chéng)副教授，第一作者為博士后王方成（現(xiàn)為中科院深圳先進(jìn)院助理研究員），論文作者還包括清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院康飛宇教授、博士后郭鎮(zhèn)斌（現(xiàn)為深圳大學(xué)助理教授）、2020級(jí)材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)博士生朱浩杰等。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、深圳市科創(chuàng)委、深圳蓋姆石墨烯中心等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202210038
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：陳曉艷
審核：田姬熔
