清華大學深圳研究生院楊誠： 1T相MoSe2電極——高性能埋入式高頻超級電容器 ???

隨著電子系統向微型化、輕量化的飛速發展，元器件必將實現更小的尺寸和更先進的功能，從而滿足系統級封裝(System-in-Package, SiP)和芯片上系統(System-on-Chip, SoP)的集成應用。在被動式元件中，電容器因為受到電容公式的限制（容量正比于電極面積），因此，縮小其器件尺寸導致容量變小；以非常常見的容量在微法級別的鋁電解電容器(Aluminium electrolyte capacitors, AECs)為例，其尺寸至少得有花生米那么大。相比與其他片式或埋入式的元器件，這樣的尺寸相當于“巨人”了，因此只能插接或貼裝在線路板表面，無法實現更高的集成度。而鉭電容和陶瓷電容雖然可以做得很小，但是其容值相比AEC要差數個數量級，導致很多重要的場景下無法使用。（見圖1）

Figure 1各類電容器的工作頻率和單體容量分布。

本文的埋入式超級電容器（embedded SC）在單體容量、工作頻率及微型化方面相比商用的AEC具有顯著的優勢

近年來，越來越多的學者開始關注單體容量遠大于AEC的超級電容器（supercapacitors, SCs）的研究，并提出了各種微型化的超級電容器（Micro-SCs）的研究思路。雖然與AEC同為電解質型電容器，但是由于其采用多孔電極材料，因此可以實現更大的單體容量；但是受限于電解質輸運效率和某些電極的贗電容特性，已報道的SC其工作頻率往往只有10⁰Hz以下，與AEC相比都尚有較大差距（10³Hz左右）。更大的問題是，目前學術界報道的SC技術其循環壽命通常只有幾萬次循環，這離高集成度、長壽命的電子級應用要求仍有較大差距。可見，研究并實現工作頻率高于AEC、循環壽命能大幅度提高的SC技術，對于未來SoC和SiP應用意義重大且極富挑戰。

近日，清華大學深圳研究生院楊誠課題組首次實現了金屬相二維過渡金屬硫族化物(transition metal chalcogenides, TMDs)基的SC技術，發現這一技術同時具備高容量、超越AEC的高頻率響應性以及超長壽命的特點，并以此裝配出可以實現埋入式操作的超薄微型電容器（embedded SC），對于未來高度集成的電子系統對與濾波、旁路、調頻等的功能應用展現出很好的前景。在制作工藝上，首先采用液相機械剝離法將厚度微米級的二硒化鉬(MoSe₂)粉末剝離成寡層二維納米片；其次，通過靜電噴涂技術在超薄金屬集流體上均勻沉積電極；繼而使用紫外納秒激光激光器（波長355 nm）將半導體相（2H相）MoSe₂通過光化學過程轉化為金屬相（1T）材料。本文通訊作者為楊誠教授，江智、王洋、袁碩果為第一作者。

Figure 2 電容器單電極的加工過程。

(a) 液相機械剝離過程(b)靜電噴涂過程(c)激光誘導相轉變過程

金屬相MoSe₂材料具備優異的導電性，有利于電子在二維材料薄膜上的傳輸。同時，利用二維材料具很大的比表面積和激光加工所引入的豐富的缺陷結構，有利于提高電解質離子的吸附脫附和高速穿梭。使得基于該1T相MoSe₂電極構建的超級電容器同時實現了良好的高頻率響應以及高容量性能。在離子液體電解液中，基于金屬相MoSe₂制備超級電容器實現了超長穩定性，在10 V/s掃速下經歷一百萬圈循環后，其容量仍然保持在121.4%。

Figure 3 超級電容器單電極的性能表征。

(a,b)1 V/s-10000 V/s掃速下的CV測試曲線?(c)放電電流隨掃速的變化曲線(d)容量隨掃速的變化

Figure 4 在不同的工作電壓下，embedded SC與其他常見的儲能器件關于能量密度和功率密度的比較

Figure 5 Embedded SC體現出優異的循環性能

利用激光加工的高效、精確的優點、結合成熟的微型元件的金印刷加工技術，根據SiP以及SoC的元器件的應用要求，研究人員制備出可埋入線路板的SC樣品。該工作中所用的技術均適合于大批量生產，從而具備良好的商用開發價值。這種超薄、埋入式超級電容器技術將對未來高封裝密度電子系統的發展將起到至關重要的推動作用。

作者介紹：

楊誠教授2002-2007年就讀于香港科技大學并獲博士學位，2007年-2011年間在香港科技大學和美國佐治亞理工學院從事博士后研究，并于2011年加盟清華大學。楊誠教授的主要研究領域集中于能源儲存及轉化以及電子元器件及封裝材料方面，先后在Nature Communications、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等雜志發表了80余篇科技論文，曾獲得清華大學“學術新人”榮譽以及廣東省杰出青年科學基金支持。

文獻鏈接：Ultrahigh‐Working‐Frequency Embedded Supercapacitors with 1T Phase MoSe2 Nanosheets for System‐in‐Package Application

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201807116

本文由清華大學深圳研究生院楊誠課題組供稿，材料人編輯部編輯。

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