微納電子系王曉紅課題組在可用于電源濾波電路的高頻微型超級(jí)電容器研究方面取得新進(jìn)展

清華新聞網(wǎng)3月26日電 3月20日，清華大學(xué)微納電子系教授王曉紅課題組在新一期《納米能源》期刊上發(fā)表題為《具有電路集成性的高頻微型超級(jí)電容器及其濾波/振蕩電路應(yīng)用》（“Circuit-integratable High-frequency Micro Supercapacitors with Filter/Oscillator Demonstrations”）的封面文章，首次研制出工作頻率突破百赫茲、同時(shí)具有高電容密度和電路可集成性的高頻微型超級(jí)電容器。

具有電路集成性的高頻微型超級(jí)電容器（雜志封面）

隨著摩爾定律的發(fā)展，電路中基于MOS管的邏輯器件體積不斷減小，但是以電容器為代表的無(wú)源元器件并未獲得突破性發(fā)展。在電源濾波電路中廣泛存在的電解電容是目前電路中所占空間最大的分立元器件，并已成為發(fā)展下一代小體積、多功能以及具備柔性的電子設(shè)備的主要阻礙之一。近年來(lái)，基于電化學(xué)雙電層和贗電容效應(yīng)的微型超級(jí)電容器作為微型儲(chǔ)能元件得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。然而，受限于微電極中的離子擴(kuò)散速度，此類(lèi)超級(jí)電容器難以在超過(guò)一赫茲的頻率下工作，故而無(wú)法作為濾波電容在電路中使用。本研究創(chuàng)新性地基于低維納米材料中的快速氧化還原反應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種兼具高頻率響應(yīng)與高電容密度的電化學(xué)電容，并結(jié)合一步成型的電極圖形化技術(shù)，成功使得微型超級(jí)電容器的工作頻率突破百赫茲，不僅滿(mǎn)足了低頻濾波電路的頻率需求，且面電容密度達(dá)到了目前商用鉭電解電容的4倍。

研究顯示，基于新型高頻微型超級(jí)電容器的濾波電路和振蕩電路相比于傳統(tǒng)基于電解電容的電路，在工作性能以及柔性電子應(yīng)用方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，且可以節(jié)約95%以上的體積。未來(lái)，此工作可進(jìn)一步集成在集成電路芯片之中，有望取代目前占據(jù)電路中最大體積的電解電容器。

高頻微型超級(jí)電容器 (a)器件，(b)電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，(c)和(d)在電源濾波電路中的應(yīng)用

王曉紅為論文通訊作者，微納電子系2015級(jí)博士生徐思行為論文第一作者。王曉紅團(tuán)隊(duì)一直致力于可集成式微能源的研究，包括能量收集與轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存與電源管理等方面。近年來(lái)，相關(guān)工作相繼發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》《納米能源》《微系統(tǒng)與納米工程》等高水平期刊。該研究成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家基礎(chǔ)研究計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：

https://authors.elsevier.com/c/1YZDM7soS7t-bz

供稿：微納電子系

編輯：曲田

審核：周襄楠