Нано Технологии

Сухой конденсатор

 

В настоящее время все зарубежные производители технологического оборудования для выращивания пленок методом МН-ALD придерживаются однотипного реактора, названного «бегущая волна». Такой тип реактора позволяет проводить групповой синтез на нескольких подложках одновременно. Решение задач микроэлектроники, где требуются тонкие пленки толщиной в несколько нанометров, возможно с успехом на таких типах реакторов. Однако общим и непреодолимым недостатком такого типа реакторов является низкая скорость роста пленок – не более 0,2-0,3 мкм в час.

Разработанный нами оригинальный принцип реализации метода МН-ALD позволяет повысить скорость роста пленок более, чем на порядок. Это является принципиально важным для выращивания слоев полупроводниковых материалов, которые используются для преобразования света различной длины волны в электрический сигнал. Такие материалы используются в солнечных батареях для получения электроэнергии. Кроме того, для приборов ночного видения двойного применения важно улавливать и преобразовывать весь инфракрасный поток света. Особенно сложно это осуществлять в длинноволновом окне прозрачности атмосферы. Важной задачей является разработка новых классов энергонезависимой памяти, основанной на более надежных принципах записи и хранения информации. Особенно актуальной задачей становится получение толстых слоев диэлектриков в чередовании с металлами для разработки и изготовления пленочных конденсаторов сверхбольшой удельной емкости.

Наиболее часто употребляемыми сегодня приборами для хранения электроэнергии являются аккумуляторы. Для применения во многих устройствах оказывается достаточным величина хранимой энергии ее размер и вес. С коротким жизненным циклом аккумуляторов приходится мириться из-за отсутствия альтернативы. В последнее время в ряде применений требования к емкости аккумулятора заметно возросли и превысили их возможности. Это привело к разработке импульсных аккумуляторов большой мощности в ущерб их емкости и жизненному циклу. В качестве альтернативы этому начали проводиться работы по созданию суперконденсаторов. При этом предполагается, что характеристики таких конденсаторов должна хотя бы на порядок превосходить длительность хранения заряда и жизненный цикл аккумулятора. Малое внутреннее сопротивление суперконденсаторов по сравнению с аккумулятором повышает их полезные пиковые мощности. Еще одним важным отличием являются временные изменения аккумулятора и суперконденсаторов. Заряженные аккумуляторы после долгого хранения разряжаются, и происходит их внутренняя коррозия, приводящая к необратимым изменениям, после чего батарея полностью выходит из строя. Конденсатор тоже с течением времени теряет свой заряд, но в отличие от аккумулятора полностью сохраняет свои эксплуатационные свойства и может опять заряжаться и работать. Ультраконденсаторы могут разряжаться с большой скоростью и очень глубоко, сохраняя работоспособность сотни тысяч циклов заряд-разряд. Для аккумулятора такие условия эксплуатации абсолютно неприемлемы. К недостатку суперконденсаторов обычно относят малую энергоемкость по сравнению с аккумулятором. Однако время зарядки конденсаторов, в отличие от аккумулятора, составляет секунды и доли секунд, если позволяет источник зарядки. Еще одним преимуществом суперконденсаторов является то, что почти вся запасенная энергия (~95%) превращается в полезную работу и только малая часть (~5%) – в тепло.

В аккумуляторе примерно половина внутренней энергии диссипирует в виде тепла. Отличие в принципах накопления заряда в конденсаторах и аккумуляторах в общих чертах известны и не требуют обсуждения. В настоящее время основные усилия исследователей в мире направлены на разработку электрохимических суперконденсаторов, в которых два электрода разделены сепаратором и помещены в жидкий электролит. Такой тип «жидкого» конденсатора сродни электролитическим униполярным конденсаторам. Несколько типов подобных суперконденсаторов разрабатываются фирмами США, Японии и Европы, в том числе России и Украины. Площадь поверхности электродов таких конденсаторов составляет 500-2000 м2/г. Заряд накапливается и хранится в микропорах на границе раздела электрод-электролит. Электрохимические суперконденсаторы делятся на два основных типа – двойного слоя и псевдоемкостные. Еще можно выделить отдельно гибридный тип суперконденсаторов. Не вдаваясь в детали их работы можно привести лучшие достигнутые характеристики. Плотность запасенной энергии 5-10 Вт.часов/кг, мощность 500-2000 Вт/кг, напряжение на элементе 1-3 В, емкость – до 4000 Фарад.

В настоящее время почти нет информации о работах по получению «сухих» суперконденсаторов в виде многослойных пленочных структур с высокой удельной емкостью. Нам известны работы, проводимые в Ливерморской лаборатории (США), где методом магнетронного напыления был изготовлен суперконденсатор, содержащий 256 слоев диэлектрика, чередующегося с металлом и имеющего следующие характеристики:

- число чередующихся слоев 256

- пробивное напряжение 2600 В

- плотность энергии 2000 Дж/кг

В работе подчеркивается, что установка для магнетронного напыления является результатом многолетней работы и представляет собой сложный комплекс в сочетании с условиями чистой комнаты (пресс-релиз Ливерморской лаборатории).

В настоящее время известны исследования, проводимые путем вакуумного нанесения многослойных диэлектриков и металлических электродов методами электронно-лучевого испарения, лазерного испарения и магнетронного нанесения. Все эти методы являются физическими процессами, приводящими к отрыву частиц вещества от мишени и их последующей конденсации на подложке. Общим очевидным недостатком такого подхода является отсутствие видимых рычагов управления процессом образования (роста) пленки на подложке, кроме обычных термодинамических критериев зародышеобразования. Для получения многослойных структур конденсаторного типа сверхвысокой удельной емкости желательным является достижение параметров системы, близких к критическим. Выбранные материалы должны находиться в предельном состоянии, как с энергетической, так и с размерной точки зрения.

Нами были проведены предварительные эксперименты по получению толстых, сплошных пленок оксида алюминия на кремнии и металле. Полученные структуры выдерживали постоянное напряжение до 300 вольт при обеих полярностях, что служит хорошей предпосылкой для проведения работ в данном направлении. Оценка достигнутой плотности энергии в полученных нами структурах уже дает величину в 2,5- 3 раза большую, чем в опубликованных результатах Ливерморской лаборатории. Просматриваются перспективы дальнейшего увеличения плотности энергии за счет перехода к слоям диэлектриков с существенно большими чем у оксида алюминия, диэлектрическими постоянными.

И так, промышленное применение метода Молекулярного Наслаивания в мировой промышленности сегодня тормозится низкой скоростью роста пленок на существующих современных (зарубежных) технологических установках (ALD), которая составляет десятые доли микрона в час.

Нашей корпорацией HRS Oy и автором данного проекта решена эта ключевая проблема, что позволило резко повысить скорость роста слоев этим методом МН до нескольких микрон в час, и сделать скорость роста сравнимой с традиционными промышленными методами выращивания пленок, такими как CVD. Разработка является оригинальной, защищена патентом и позволяет развернуть работы по коммерциализации данной технологии молекулярной химической сборки.