中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
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電容器及其濾波/振蕩電路應用》（“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電容器。
隨著(zhù)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的微型超級電容器作為微型儲能元件得到快速發(fā)展和廣泛應用。然而，受限于微電極中的離子擴散速度，此類(lèi)超級電容器難以在超過(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，設計了一種兼具高頻率響應與高電容密度的電化學(xué)電容，并結合一步成型的電極圖形化技術(shù)，成功使得微型超級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，且面電容密度達到了目前商用鉭電解電容的4倍。
微型石墨烯超級電容器的裝置的充電或者是放電速度比常規電池快100倍到1000倍。這種利用單原子層碳制成的電池很容易生產(chǎn)，也很容易與電子產(chǎn)品結合到一起，甚至有可能促使更小的手機誕生。新突破不僅將會(huì )導致充電更快的手機和汽車(chē)誕生，而且也會(huì )催生更小的電子產(chǎn)品。研究人員為了研制這種新的微型超級電容器，采用兩維碳片，即石墨烯，它在第三維只有單原子那么厚。該科研組還發(fā)現一種能夠輕松生產(chǎn)這種電池的方法，即采用標準DVD刻錄機。
研究顯示，基于新型高頻微型超級電容器的濾波電路和振蕩電路相比于傳統基于電解電容的電路，在工作性能以及柔性電子應用方面展現出明顯的優(yōu)勢，且可以節約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，有望取代目前占據電路中最大體積的電解電容器。
王曉紅為論文通訊作者，微納電子系2015級博士生徐思行為論文第一作者。王曉紅團隊一直致力于可集成式微能源的研究，包括能量收集與轉換、儲存與電源管理等方面。近年來(lái)，相關(guān)工作相繼發(fā)表于《美國化學(xué)學(xué)會(huì )·納米》《納米能源》《微系統與納米工程》等高水平期刊。該研究成果得到國家自然科學(xué)基金和國家基礎研究計劃等項目的支持。
