基于纳米结构的金属-绝缘体-金属超大容量电容器

高效的电能存储和利用是当今社会普遍关注的问题之一。各种新型移动设备包括电子设备与汽车等，都需要具有高储能密度和大功率的储能器。与传统的电池储电方式相比，电容器储电可以达到很高的功率密度，并且安全、高效、寿命长。但是较低的储能密度限制了它的应用。当今的超级电容以电化学方法为储电途径，虽提高了储能密度但同时降低了功率密度。本项目拟用原子层沉积（ALD）方法，在具有极高比表面积的纳米材料模板上生长金属-绝缘体-金属（MIM）平板电容器结构，采用高k材料（比如TiO2）作为绝缘层，这种新型电容器既能提高储能密度，又能保持非常高的功率密度。通过系统研究纳米模板前期处理工艺、MIM生长工艺，以及器件后期加工工艺，制备出比能量接近或达到现有超级电容水平（1-10Wh/kg），比功率超过超级电容两个数量级以上的MIM结构电容器，发表高水平研究论文，申请发明专利，为工业化生产打下良好的基础。

本项目采用原子层沉积的方法在石英玻璃衬底上制备出性能相对优异的AZO薄膜，电阻率达到1.4×10-3 Ω.cm（厚度仅为100 nm），薄膜表面粗糙度可以低至1.5 nm，远低于其他方法制备的AZO薄膜。在AZO的基础上，为了增大电容密度和控制漏电流，介质层选用了Al2O3/TiO2/Al2O3的叠层结构。而且，为了制备出绝缘性能更好的TiO2，我们选用了氧化性更强的臭氧（O3）代替水（H2O）。通过优化生长工艺，得到了最高的电容密度达到14 fF/um2，对应介电常数41。采用臭氧作为氧化剂，可以将漏电流密度降到2×10-9 A/cm2 (在1V)。最后，我们对器件性能进行了测试和分析，发现如果能够降低AZO电阻率，就可以进一步减少电容器的高频损耗。..本项目执行期，课题组发表了SCI论文12篇，包括3篇APL，1篇Nanotechnology，1篇IEEE Electron Device Letters，1篇Scientific Reports，申请国家发明专利1项，国际会议邀请报告1个，小型会议或者双边会议邀请报告8个，主办了国际（含双边）会议5次，国内会议1次。