基于巨介电介质的3D介质电容器构建及其储能特性研究

In recent years, as a new type capacitor, the three-dimensional (3D) dielectric capacitor is superior to the technical characteristics of traditional MLCC and has the huge development potential. To solve the problems about the low dielectric materials of the 3D dielectric capacitors, such as aluminium oxide, et al, which effected the improvement of energy storage density. This project proposed to use nanotube arrays with colossal dielectric constant as the dielectric materials of 3D dielectric capacitors. With titanium dioxide nanotube arrays as substrate materials, optimize the material composition and preparation process, the nanotube arrays with colossal dielectric constant will be synthesised by the hydrothermal method . And then fabricate the colossal dielectric material based 3D dielectric capacitors. The dielectric properties and energy storage properties of the nanotube arrays with colossal dielectric constant will be researched by temperature dielectric test, spectrum dielectric test and cyclic voltammograms test. Connect to the finite element analysis method and microcosmic results, the relationship between the distribution of electric field, energy storage properties and electrode structure of the 3D dielectric capacitors will be explored. The energy storage mechanism of the capacitors will also be clarified. These achievements will provide the important science and technology foundation for the design and application of the 3D dielectric energy storage capacitor with excellent performances.

三维(3D)介质电容器是近年来发展的新型电容器，显示出优于传统MLCC的技术特点和巨大的发展潜力。针对于目前3D介质电容器中使用的氧化铝等介质材料的介电常数偏低，影响电容器储能密度提高的问题，本项目提出利用具有巨介电常数的纳米管阵列来作为介质材料制备3D介质电容器的研究思路。以二氧化钛纳米管阵列作为基板材料，通过水热法，优化材料组分和制备工艺，制备具有巨介电常数的纳米管阵列，并构建基于该巨介电介质材料的3D介质电容器。通过介电温谱测试、介电频谱测试和循环伏安测试等，研究具有巨介电常数纳米管阵列的介电性能和储能特性，结合有限元模拟计算以及微观分析结果探索3D介质电容器的电场分布、储能特性与电极结构的关系，阐明该电容器的储能机理，为高性能3D介质储能电容器的研制和应用提供科学和技术基础。

消费电子领域的快速发展，带动了电子系统多功能、小型化、低成本的发展需求。伴随着器件封装技术由分立元件到IPDS、3D IPAC的发展趋势，电容器作为电子设备最重要、最基础的元件之一，其高容量、小型化和可集成化是满足新兴系统发展的关键。为了适应未来器件的小型化需求，提高电容量可以分别从介电常数、有效面积及介质层厚度三个方面入手。目前研究的巨介电材料体系如CaCu3Ti4O12(CCTO)、 (Pb, La)TiO3等，因在温度/频率相关特性和高介电损耗这两个方面仍然存在一些缺陷，阻碍了商业上的应用。传统的多层陶瓷电容器(MLCC)通过减小介质层的厚度和增加叠层数来增大电容，技术上已经接近极限值。而目前新型的3D电容器采用硅刻蚀和ALD/CVD技术，制备成本太高，不利于商业化应用。因此，本项目分别选用无序多孔陶瓷材料和阳极氧化铝(AAO)模板，构建高容量密度、低成本嵌入式封装用3D电容器，并对其性能进行了研究，同时对3D结构进行了一些仿真研究。主要工作和结果如下：.1、本项目制备了无序多孔结构的3D电容器。通过优化电容器组成和烧结温度、时间，增加了电极的有效面积，降低了低频下介质层的空间电荷极化，在940°C得到了性能优异的BTO/Ag 3D电容器，其电容密度达到3.4 nF/mm3，相比于纯钛酸钡介质层的电容器提高了10倍以上；变温下(30-180°C/10 KHz)，3D电容器损耗值达到0.04以下，电容密度的变化率也趋于变小，温度稳定性更好。.2、通过不同的烧结参数，制备了无序多孔钛酸钡材料，并通过在上下面滴加纳米银导电墨水，初步制备了3D电容器。.3、以双通AAO为模板，采用电化学方法制备了电容器的电极材料和介质层，探究了不同溶液组成、电沉积参数对电容器电极形貌的影响。讨论了纳米管和纳米棒的电沉积规律，获得了均匀、有序的纳米管阵列电极，并系统地进行了纳米管的电化学性能测试(CV、Tafel曲线等)。