清华大学深圳研究生院杨诚： 1T相MoSe2电极——高性能埋入式高频超级电容器

随着电子系统向微型化、轻量化的飞速发展，元器件必将实现更小的尺寸和更先进的功能，从而满足系统级封装(System-in-Package, SiP)和芯片上系统(System-on-Chip, SoP)的集成应用。在被动式元件中，电容器因为受到电容公式的限制（容量正比于电极面积），因此，缩小其器件尺寸导致容量变小；以非常常见的容量在微法级别的铝电解电容器(Aluminium electrolyte capacitors, AECs)为例，其尺寸至少得有花生米那么大。相比与其他片式或埋入式的元器件，这样的尺寸相当于“巨人”了，因此只能插接或贴装在线路板表面，无法实现更高的集成度。而钽电容和陶瓷电容虽然可以做得很小，但是其容值相比AEC要差数个数量级，导致很多重要的场景下无法使用。（见图1）

Figure 1各类电容器的工作频率和单体容量分布。

本文的埋入式超级电容器（embedded SC）在单体容量、工作频率及微型化方面相比商用的AEC具有显著的优势

近年来，越来越多的学者开始关注单体容量远大于AEC的超级电容器（supercapacitors, SCs）的研究，并提出了各种微型化的超级电容器（Micro-SCs）的研究思路。虽然与AEC同为电解质型电容器，但是由于其采用多孔电极材料，因此可以实现更大的单体容量；但是受限于电解质输运效率和某些电极的赝电容特性，已报道的SC其工作频率往往只有10⁰Hz以下，与AEC相比都尚有较大差距（10³Hz左右）。更大的问题是，目前学术界报道的SC技术其循环寿命通常只有几万次循环，这离高集成度、长寿命的电子级应用要求仍有较大差距。可见，研究并实现工作频率高于AEC、循环寿命能大幅度提高的SC技术，对于未来SoC和SiP应用意义重大且极富挑战。

近日，清华大学深圳研究生院杨诚课题组首次实现了金属相二维过渡金属硫族化物(transition metal chalcogenides, TMDs)基的SC技术，发现这一技术同时具备高容量、超越AEC的高频率响应性以及超长寿命的特点，并以此装配出可以实现埋入式操作的超薄微型电容器（embedded SC），对于未来高度集成的电子系统对与滤波、旁路、调频等的功能应用展现出很好的前景。在制作工艺上，首先采用液相机械剥离法将厚度微米级的二硒化钼(MoSe₂)粉末剥离成寡层二维纳米片；其次，通过静电喷涂技术在超薄金属集流体上均匀沉积电极；继而使用紫外纳秒激光激光器（波长355 nm）将半导体相（2H相）MoSe₂通过光化学过程转化为金属相（1T）材料。本文通讯作者为杨诚教授，江智、王洋、袁硕果为第一作者。

Figure 2 电容器单电极的加工过程。

(a) 液相机械剥离过程(b)静电喷涂过程(c)激光诱导相转变过程

金属相MoSe₂材料具备优异的导电性，有利于电子在二维材料薄膜上的传输。同时，利用二维材料具很大的比表面积和激光加工所引入的丰富的缺陷结构，有利于提高电解质离子的吸附脱附和高速穿梭。使得基于该1T相MoSe₂电极构建的超级电容器同时实现了良好的高频率响应以及高容量性能。在离子液体电解液中，基于金属相MoSe₂制备超级电容器实现了超长稳定性，在10 V/s扫速下经历一百万圈循环后，其容量仍然保持在121.4%。

Figure 3 超级电容器单电极的性能表征。

(a,b)1 V/s-10000 V/s扫速下的CV测试曲线 (c)放电电流随扫速的变化曲线(d)容量随扫速的变化

Figure 4 在不同的工作电压下，embedded SC与其他常见的储能器件关于能量密度和功率密度的比较

Figure 5 Embedded SC体现出优异的循环性能

利用激光加工的高效、精确的优点、结合成熟的微型元件的金印刷加工技术，根据SiP以及SoC的元器件的应用要求，研究人员制备出可埋入线路板的SC样品。该工作中所用的技术均适合于大批量生产，从而具备良好的商用开发价值。这种超薄、埋入式超级电容器技术将对未来高封装密度电子系统的发展将起到至关重要的推动作用。

作者介绍：

杨诚教授2002-2007年就读于香港滚球体育 大学并获博士学位，2007年-2011年间在香港滚球体育 大学和美国佐治亚理工学院从事博士后研究，并于2011年加盟清华大学。杨诚教授的主要研究领域集中于能源储存及转化以及电子元器件及封装材料方面，先后在Nature Communications、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等杂志发表了80余篇滚球体育 论文，曾获得清华大学“学术新人”荣誉以及广东省杰出青年科学基金支持。

文献链接：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

本文由清华大学深圳研究生院杨诚课题组供稿，材料人编辑部编辑。

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