轉自：大國重器

　　芬蘭愛爾蘭延德爾國家研究院（VTT）技術研究中心的研究人員結合微納加工工藝和新研究出的新型混合納米材料，研究出能與硅基微電子器件單片集成的的微型超級電容器。該超級電容器具備超高能量和集成度優勢，有望帶來新的移動用集成器件，以及為未來物聯網所需零功耗自治器件的發展奠定基礎。

　　超級電容器
　　超級電容器類似電化學電池。與移動手機中鋰電池通過化學反應來存儲能量不同的是，超級電容器主要存儲電解液和固態電極界面間的靜電電能，其能量和功率密度依賴于存儲電荷的表面積和固態電極的導電性，應用場合小到電動工具、大到電動汽車。

　　技術核心
　　VTT研發了一個混合納米材料電極。該電極由厚達幾微米的多孔硅層組成，多孔硅上又采用原子層淀積（ALD）工藝涂覆了厚約10納米的氮化鈦層。通過利用氮化鈦理想的電化學特性和多孔硅矩陣增大的面積，使電化學雙層電容器（EDLC）達到理想特性。需要指出的是，由于最高可達1:1000的縱深比，要在多孔硅上實現氮化鈦層的涂覆并不容易。

　　工藝過程
　　研究人員首先在體硅中刻蝕出微通道，接著在微通道的側壁上形成混合納米材料電極，以及增加觸點；然后在兩個混合電極之間形成的微通道中填充離子液體，實現小體積、高能效的能量存儲。

　　成果圖示

圖為片內多孔硅-氮化鈦超級電容器

　　（a）帶有分離電極的溝道的掃描電鏡顯微鏡（SEM）圖片

　　（b）兩個相反電極橫截面示意圖（還展現了背面帶有氮化鋁覆膜的多孔硅層和鋁接觸點）

　　（c）多孔硅的高倍放大SEM圖像

　　（d）器件溝道表面

　　（e）金屬化（包括為實現超級電容器電極的鋁接觸）

　　（f）循環伏安法曲線

　　性能指標
　　研究人員表示，此次突破使硅基微型超級電容器具有卓越的性能，其功率、能量和使用壽命等指標首次可與碳和石墨烯基器件相競爭。

　　研究人員制作了幾個多孔硅層厚度不等（最高到7微米）的超級電容器。根據測試結果，電容值最高達到15F/cm3，能量密度最高達到1.3mWh/cm3，功率密度最高達到214W/cm3，上述指標在1.3萬次循環中保持穩定；而受限于測試時間，有記錄的最大循環周期達到5萬次，且未觀察到多孔硅-氮化鈦電極材料出現退化。（另一報道的測試數據是，演示的片內超級電容器技術能夠在1cm2硅芯片上存儲0.2J和產生高達2W的功率）。

　　研究人員發現多孔硅層越厚，電容值越大。通過數據外推，估計采用20微米厚多孔硅層和相同的電極結構，器件的電能存儲能力達到50mF/cm2。

　　應用領域
　　微型超級電容器能夠直接集成到有源微電子器件中，可存儲由不同熱、光和震動能量收集器產生的電能，然后在需要的時候進行供電，同時其上還可集成有源微電子器件和傳感器等，對自治傳感器網絡、可穿戴電子和物聯網用移動電子設備帶來巨大益處。

　　意義
　　多孔硅層的橫向厚度和溝道的長度有力地拓展了整個電容器的儲電量。而且，整個制造工藝不超過450攝氏度，并與CMOS工藝兼容，使得能量存儲器件可用平面芯片最常用的體硅襯底來制作，并實現與硅器件的單片集成。

　　下一步發展
　　由于上述超級電容器是敞蓋的，研究人員下一步將研究對該超級電容器實現密封，以及尋找各種固態電解液。此外，還將尋找合作伙伴以幫助實現該技術的商業化。潛在感興趣的設計團隊包括嵌入式無源器件或單獨的表貼式硅超級電容器。