Миниатюрный высокий

Aug 06, 2023

Хэфэйские институты физических наук Китайской академии наук

изображение: Рисунок 1. Схематическая иллюстрация синтезированных сеток 3D-CT: 3D-CT, 3D-CNT@CT и 3D-RCT.посмотреть больше

1 кредит

Исследовательская группа под руководством профессора Мэн Гуовэня из Института физики твердого тела Хэфэйского института физических наук (HFIPS) Китайской академии наук (CAS) в сотрудничестве с профессором Вэй Бинцин из Университета Делавэра, Ньюарк, США, успешно разработали структурно интегрированные высокоориентированные сетки из углеродных трубок (CT) в качестве электродов электрических двухслойных конденсаторов (EDLC), чтобы значительно улучшить характеристики частотной характеристики, а также площадные и объемные емкости на соответствующей частоте. Ожидается, что он будет использоваться в качестве высокопроизводительного малогабаритного линейного фильтрующего конденсатора переменного тока (AC) в электронных схемах, предоставляя необходимые материалы и технологии для миниатюризации и портативности электронных продуктов.

Результаты были опубликованы в журнале Science 26 августа 2022 года.

Преобразование переменного тока в постоянный ток (DC) жизненно важно для питания электроники. При этом конденсаторы фильтров играют ключевую роль в сглаживании пульсаций напряжения в выпрямленном сигнале постоянного тока, обеспечивая качество и надежность электрического и электронного оборудования. В этой области широко используются алюминиевые электролитические конденсаторы (АЭК). Тем не менее, они всегда являются самым крупным электронным компонентом из-за своей низкой объемной емкости, что серьезно ограничивает разработку миниатюрных и портативных электронных продуктов.

EDLC, обычно с углеродными материалами в качестве электродов, считаются потенциальными кандидатами на линейную фильтрацию переменного тока для замены AEC из-за их более высокой удельной емкости, что соответствует тенденции миниатюризации устройств, но ограничены их низкой рабочей частотой (~ 1 Гц). Хотя рабочую частоту можно повысить за счет использования в качестве электродов высокоориентированных углеродных наноматериалов, удельная емкость очень ограничена. Между тем, физические контакты между соседними углеродными нанотрубками или листами графена не только увеличивают сопротивление, еще больше замедляя частотную характеристику, но также затрудняют увеличение массовой нагрузки углеродных наноматериалов и, таким образом, получение большой емкости. Существует острая необходимость в разработке материалов новой структуры для увеличения быстрой частотной характеристики при сохранении высокой удельной емкости.

С 2015 года исследовательская группа работает над этой темой. После неустанных усилий была успешно разработана новая трехмерная (3D) структурно-интегрированная и высокоориентированная матрица ТТ с поперечно соединенными друг с другом химическими связями. Сетка 3D КТ с по-настоящему взаимосвязанными и структурно интегрированными вертикальными и боковыми КТ (обозначаемыми как 3D-КТ) может обеспечить высокоориентированную, высокую структурную стабильность, превосходную электропроводность и эффективную открытую пористую структуру (рис. 1), которая, как ожидается, будет отвечают требованиям к материалам электродов малогабаритных высокопроизводительных сетевых фильтров переменного тока EDLC.

Чтобы получить эту уникальную структуру, исследователи сначала анодировали алюминиевый лист, содержащий небольшое количество примеси меди, чтобы получить высокоупорядоченный вертикальный пористый анодный шаблон из оксида алюминия (ААО), содержащий наночастицы примеси меди на стенках пор. Впоследствии трехмерный взаимосвязанный пористый шаблон AAO (3D-AAO, верхний левый угол на рисунке 1) был получен путем селективного травления Cu-содержащих наночастиц на стенках пор фосфорной кислотой.

Сетка 3D-CT (верхний правый угол на рисунке 1) была синтезирована методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) с использованием шаблона 3D-AAO. Чтобы увеличить удельную площадь поверхности и еще больше увеличить удельную площадь и объемную емкость, 3D-КТ можно модифицировать, примером чего является заполнение углеродными нанотрубками (УНТ) гораздо меньшего диаметра внутри вертикальных и боковых КТ (обозначаемых как 3D-КТ). -CNT@CT, нижний левый угол на рисунке 1) методом CVD с использованием никелевого катализатора или обработка поверхности KMnO4 (3D-RCT, т. е. 3D-CT с шероховатой поверхностью, нижний правый угол на рисунке 1). ).