超级电容器及其制作方法

专利名称：超级电容器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超级电容器及其制作方法，特别地，本发明涉及一种在绝缘介电
层中埋入磁性纳米颗粒、和/或多个磁性纳米柱、和/或多个磁性纳米板、和/或金属原子 点的超级电容器及其制作方法。
背景技术：
近年来用来储能的装置持续地发展。由于温室效应的缘故，提倡绿色能源是当务 之急。然而，使用太阳能、风力、水力等都需要能储存大量电能的蓄电装置。目前所用的储 能装置不外乎利用电能与化学能之间的转换所完成的可充电式蓄电池或高效能钛酸锂电 池(例如2004年6月21日公告的第595036号中国台湾专利)。由于上述现有技术均必须 在足够的时间下才得以完成充放电过程，故若将其用在大型机械(诸如车、船或飞行器等) 或是作为长时间使用的蓄电装置时，对于目前的储能装置来说都是一大挑战。
有鉴于上述缺点，近年来有人建议使用能快速充放电且使用效率强的超级电容器 (super c即acitor)来制作高储能装置(例如，2001年5月16日公告的第434604号中国 台湾专利以及2004年6月21日公告的第595036号中国台湾专利)。在前述现有技术中， 若要产生高电容值则需加大电极板的面积，造成体积及成本的增加，以至于无法应用于特 定领域(诸如集成电路)。再者，虽以目前技术可制作出每单位面积电容值可达约100 500F/cn^的超级电容器，然而，该电容值相对于大型机械装置(车、船或飞行器)或是长时 间使用的携带式电子设备来说，均无法满足目前消费者的需求。就算将该超级电容器并联 使用来增加其电容值，也容易因并联后的体积增加而造成使用上的不便及成本的增加。
因此，有鉴上述现有技术的缺点，本发明在此提出一种超级电容器及其制法，通过 配置富含磁性纳米颗粒、和/或多个磁性纳米柱、和/或多个磁性纳米板、和/或金属原子 点的绝缘介电层，以及具有磁性的平行板电极和/或利用外加磁场改变纳米颗粒的磁化方 向等方式，可有效提高超级电容器的介电常数值，进而可直接应用于集成电路(ic)、存储 器、传感器、高容量储能电池以及需要超大电容的组件或设备。

发明内容
本发明的应用不局限于下列叙述、附图或所举例说明的组件构造和配置等细节。 此外，在本发明中所使用的措辞、术语及参数条件均以说明本发明为目的，而不应视为本发 明的限制。 本发明的主要目的是提供一种将磁性纳米颗粒、和/或多个磁性纳米柱、和/或多
个磁性纳米板、和/或多个金属原子点埋入绝缘介电层中以提高介电常数的超级电容器，
其不仅可应用于需要超大电容且超小面积的组件、存储器、传感器、集成电路或仪器，而且
还可借其高储存电能特性而发展成为高效能、高容量的可循环利用的储能电池。 本发明的另一目的是提供一种超级电容器，通过磁性电极板以及埋入到绝缘介电
层中的磁性纳米颗粒、和/或多个磁性纳米柱、和/或多个磁性纳米板、和/或金属原子点
5的配置，用来提高超级电容器的介电常数值。 本发明的再一目的是提供一种体积小且单位面积电容值高(约为102 109F/cm2)
的超级电容器，其中该超级电容器的上电极板与下电极板的长度约为0. 3 m 500 m，宽
度约为0. 01 ii m 500 ii m以及高度约为10nm 5000nm，故除了可应用于需要超大电容的
组件或仪器以及高效能、高容量的储能电池外，还可应用于集成电路(IC)制程。 本发明的另一 目的是提供一种在低频下(约1 10Hz)能呈现高介电常数与高单
位面积电容值的超级电容器及其制法。 本发明的再一目的是提供一种超级电容器，针对用于高频状态的超大电容组件来 说，可通过适当地调变该超级电容器的1。/UF(其中1。是电容器内有效电子的移动距离，uF 为电子自身的热速度)来获得超快的弛豫时间(relaxation time)，以达到高频响应的需 求。 根据本发明的第一实施方案，提供一种超级电容器，其包含上电极板、绝缘介电层 和下电极板，其中该绝缘介电层由具有高能隙的绝缘材料(诸如由二氧化硅、氮化硅、氧 化铝、氧化镁(Mg0)和氧化铪(Hf0)中的任一种或它们的复合体构成的绝缘材料)以及埋 入该绝缘材料中的多个磁性纳米颗粒、和/或多个磁性纳米柱、和/或多个磁性纳米板、和 /或多个金属原子点构成。 根据本发明的第二实施方案，提供一种制作超级电容器的方法，其包括在基板上 沉积出底层；在该底层上沉积具有高磁性的第一层；利用微光刻技术(如黄光微光刻技术、 金属光掩模蚀刻技术或激光微光刻技术)将该第一层制作成下电极板；在该下电极板上覆 盖具有高能隙的绝缘介电层，并在该绝缘介电层中埋入多个磁性纳米颗粒、和/或多个磁 性纳米柱、和/或多个磁性纳米板、和/或多个金属原子点；在该绝缘介电层上沉积具有高 磁性的第二层；以及利用微光刻技术(如黄光微光刻技术、金属光掩模蚀刻技术或激光微 光刻技术)将该第二层制作成上电极板。 如前述方法，其中该第一层或该第二层可由磁性材料、金属材料或半导体材料中 的任一种所制成，其中该磁性材料可由Au、 Ag、 Al、 Fe、 Co、 Ni、 Pt、 Mn、 Sm、 Nb、 B、 Zn、 Ba、 Mg、 Y、Gd、Nd、Dy、Cr、Eu、As、Bi、Sb、Cu、Er、Ce、它们的合金及其他磁性材料(例如稀土金属族) 中的至少一种构成，以及该金属材料可由Au、 Ag、 Al、 Fe、 Co、Ni、 Pt、Mn、 Sm、 Nb、B、 Zn、 Ba、 Mg、 Y、 Gd、 Nd、 Dy、 Cr、 Eu、 As、 Bi、 Sb、 Cu、 Er、 Ce、它们的合金及其他金属材料(例如稀土金 属族)中的至少一种构成。 如前述方法，还包括利用外加磁场退火系统及下列方式之一来调整该上电极板与 该下电极板的磁场方向的步骤(l)该外加磁场的方向平行于所述多个电极板之间的厚度 方向，并且在该上电极板与该下电极板中互为同向；(2)该外加磁场的方向平行于所述多 个电极板之间的厚度方向，并且在该上电极板与该下电极板中互为反向；(3)该外加磁场 的方向垂直于所述多个电极板之间的厚度方向，并且在该上电极板与该下电极板中互为同 向；(4)该外加磁场的方向垂直于所述多个电极板之间的厚度方向，并且在该上电极板与 该下电极板中互为反向。 如前述方法，还包括调整该上电极板及该下电极板的尺寸的步骤，其中该上 电极板及该下电极板的长X宽X高可在O. 3iimX0. OliimXO. Oliim(最小)至 500iimX500iimX1. 2iim(最大)的范围内调整设计。


图1为本发明的内含磁性纳米颗粒的超级电容器的结构示意图。 图2为本发明的内含磁性纳米颗粒的超级电容器的另一结构示意图。 图3为本发明的内含磁性纳米颗粒及金属原子点的超级电容器的结构示意图。 图4为本发明的内含磁性纳米颗粒及金属原子点的超级电容器的另一结构示意图。 图5为本发明的内含金属原子点、磁性纳米颗粒及磁性纳米柱的超级电容器的结 构示意图。 图6为本发明的内含金属原子点、磁性纳米颗粒及磁性纳米柱的超级电容器的另 一结构示意图。 图7为本发明的内含金属原子点、磁性纳米颗粒及磁性纳米板的超级电容器的结 构示意图。 图8为本发明的内含金属原子点、磁性纳米颗粒及磁性纳米板的超级电容器的另 一结构示意图。 图9为本发明将多个磁性纳米颗粒埋入绝缘介电层中后以透射电子显微镜(TEM) 所观看到的显微视图。 图10为本发明的超级电容器的电容和测量频率的曲线图。
具体实施例方式
为使本发明的上述和其他目的、特征及优点能更明显易懂，配合

根据本 发明的优选实施例。 图1及图2显示根据本发明的超级电容器的第一优选实施例。
如图1及图2所示，该超级电容器包含上电极板1、绝缘介电层3和下电极板2。该 上电极板1和该下电极板2由金属材料或半导体材料制成。该绝缘介电层3由具有高能隙 的绝缘材料31和埋入该绝缘材料31中的磁性纳米颗粒32构成。该绝缘材料31由诸如二氧 化硅、氮化硅、氧化铝、氧化镁(Mg0)和氧化铪(Hf0)中任一种或它们的复合体构成。此外， 在该绝缘介电层3中所埋入的所述多个磁性纳米颗粒32的密度介于每平方厘米约1 X 1011 个纳米颗粒至约1X1014个纳米颗粒之间，所述多个磁性纳米颗粒32中每一个的尺寸约为 lnm 500nm，且其埋入该绝缘介电层3中的尺寸可为相同或不同，并可连接成链状。此外， 所述多个磁性纳米颗粒32可由Au、 Ag、 Al、 Fe、 Co、 Ni、 Pt、 Mn、 Sm、 Nb、 B、 Zn、 Ba、 Mg、 Y、 Gd、 Nd、 Dy、 Cr、 Eu、 As、 Bi、 Sb、 Cu、 Er、 Ce、它们的合金及其他磁性材料(例如稀土金属族)中 的至少一种构成。即，所述多个磁性纳米颗粒32可仅由某一特定磁性材料(诸如，Fe、Co、 Ni、 Pt、 Mn或Sm)、或单一或多种磁性材料的合金(诸如，CoFe、 CoFe0、 MgFe、 CoNiFe、 Fe0、 PtFe、 CoFeB、 PtMn或SmFeCo等)，或由多种不同单一磁性材料与它们的合金(诸如，F e、 CoFe、Ni、PtMn及SmFeCo)混合组成。在对所述多个磁性纳米颗粒32施加磁场使其磁化并 建立内部磁场后，借此通过经磁化的纳米颗粒32所建立的磁场来影响该绝缘介电层3的极 化率，进而可提高介电常数。 此外，参照图3与图4，说明根据本发明的超级电容器的第二优选实施例。该绝缘介电层3中所埋入的材料除了可为所述多个磁性纳米颗粒32外，其还可仅埋入多个金属原 子点33 (诸如由Au、 Ag、 Al、 Fe、 Co、 Ni、 Pt、 Mn、 Sm、 Nb、 B、 Zn、 Ba、 Mg、 Y、 Gd、 Nd、 Dy、 Cr、 Eu、 As、Bi、Sb、Cu、Er、Ce、它们的合金及其他金属材料(例如稀土金属族)中的至少一种构成的 金属材料)，或者与所述多个磁性纳米颗粒32 —同埋入该绝缘介电层3中(其中所述多个 磁性纳米颗粒32与所述多个金属原子点33的埋入密度可依使用需求作弹性调整)。若在 该绝缘介电层3中仅埋入所述多个金属原子点33，则其埋入密度介于每平方厘米约1 X 101Q 个至约IX 1014个之间。所述多个金属原子点中每一个的尺寸约为lnm 500nm，且其埋入 该绝缘介电层3中的尺寸可为相同或不同，并可连接成链状，或可重叠配置或为三维空间 的密度。因此，在对所述多个金属原子点33及磁性纳米颗粒32施加磁场使其磁化并建立 内部磁场后，借此通过经磁化的磁性纳米颗粒32及金属原子点33所建立的磁场来影响该 绝缘介电层3的极化率，进而可提高介电常数。 以下将详细说明本发明的超级电容器的第三优选实施例。如图5与图6所示，超 级电容器在该绝缘介电层3中含有金属原子点33、磁性纳米颗粒32和磁性纳米柱34。
如图5及图6所示，该绝缘介电层3中可埋入多个磁性纳米颗粒32、多个金属原子 点33和多个磁性纳米柱34。若仅在该绝缘介电层3中埋入所述多个磁性纳米柱34，则其 埋入密度介于每平方厘米约1 X 105至约1 X 107之间。所述多个磁性纳米柱34中每一个的 直径可约为10nm 100nm，长度约为10nm 100nm，且其埋入该绝缘介电层3中的尺寸可 为相同或不同。此外，所述多个磁性纳米柱34可由Au、 Ag、 Al、 Fe、 Co、 Ni、 Pt、 Mn、 Sm、 Nb、 B、 Zn、 Ba、 Mg、 Y、 Gd、 Nd、 Dy、 Cr、 Eu、 As、 Bi、 Sb、 Cu、 Er、 Ce、它们的合金及其他磁性材料(例 如稀土金属族)中的至少一种构成。即，所述多个磁性纳米柱34可仅由某一特定磁性材料 (诸如，Fe、Co、Ni、Pt、Mn或Sm)、或单一或多种磁性材料的合金(诸如，CoFe、 CoFeO、MgFe、 CoNiFe、 FeO、 PtFe、 CoFeB、 PtMn或SmFeCo等)，或由多种不同单一磁性材料与它们的合金 (诸如，Fe、CoFe、Ni、PtMn和SmFeCo)混合组成。所述多个磁性纳米柱34可相对于该绝缘 介电层3的厚度方向而被水平、垂直或随机配置在该绝缘介电层3中。因此，在对所述多个 磁性纳米颗粒32、所述多个金属原子点33以及所述多个磁性纳米柱34施加磁场使其磁化 并建立内部磁场后，借此通过经磁化的所述多个磁性纳米颗粒32、所述多个金属原子点33 以及所述多个磁性纳米柱34所建立的磁场来影响该绝缘介电层3的极化率，进而可提高介 电常数。 以下将详细说明本发明的超级电容器的第四优选实施例。如图7及图8所示，超 级电容器含有金属原子点33、磁性纳米颗粒32和磁性纳米板35。 如图7及图8所示，该绝缘介电层3中可埋入多个磁性纳米颗粒32、多个金属原 子点33和多个磁性纳米板35。若仅在该绝缘介电层3中埋入所述多个磁性纳米板35，则 其埋入密度介于每平方厘米约1X105至约1X107之间。所述多个磁性纳米板35中每一个 的长、宽和高可分别约为10nm 100nm、10nm 100nm以及10nm 100nm，且其埋入该绝 缘介电层3中的尺寸可为相同或不同。此夕卜，所述多个磁性纳米板35可由Au、 Ag、 Al 、 Fe、 Co、Ni、Pt、Mn、Sm、Nb、B、Zn、Ba、Mg、Y、Gd、Nd、Dy、Cr、Eu、As、Bi、Sb、Cu、Er、Ce、它们的合金 及其他磁性材料(例如稀土金属族)中的至少一种构成。即，所述多个磁性纳米板35可仅 由某一特定磁性材料(诸如，Fe、 Co、 Ni、 Pt、 Mn或Sm)、或单一或多种磁性材料的合金(诸 如，CoFe、 CoFeO、 MgFe、 CoNiFe、 FeO、 PtFe、 CoFeB、 PtMn或SmFeCo等)，或由多种不同单一磁性材料与它们的合金(诸如，Fe、CoFe、Ni、PtMn及SmFeCo)混合组成。所述多个磁性纳 米板35可相对于该绝缘介电层3的厚度方向而被水平、垂直或随机配置于该绝缘介电层3 中。因此，在对所述多个磁性纳米颗粒32、所述多个金属原子点33以及所述多个磁性纳米 板35施加磁场使其磁化并建立内部磁场后，借此通过经磁化的所述多个磁性纳米颗粒32、 所述多个金属原子点33以及所述多个磁性纳米板35所建立磁场来影响该绝缘介电层3的 极化率，进而可提高介电常数。 上述第一至第四实施例仅为说明本发明的超级电容器的优选实施结构，但本发明 并不局限于此。即，本发明在该绝缘介电层3中所埋入的材料可为所述多个磁性纳米颗粒 32、和/或所述多个金属原子点33、和/或所述多个磁性纳米柱34、和/或所述多个磁性纳 米板35。 根据本发明的第五优选实施例，提供一种超级电容器，其包含上电极板、下电极板 以及具有上述第一至第四优选实施例任一者中所述的该绝缘介电层3。在此实施例中，该 上电极板1与该下电极板2利用具有诸如Au、 Ag、 Al、 Fe、 Co、 Ni、 Pt、 Mn、 Sm、 Nb、 B、 Zn、 Ba、 Mg、 Y、 Gd、 Nd、 Dy、 Cr、 Eu、 As、 Bi、 Sb、 Cu、 Er、 Ce、它们的合金及其他磁性材料(例如稀土金 属族)中的至少一种的磁性材料制成。故在外加磁场的作用下，由具有所述多个磁性电极 板及上述第一至第四优选实施例任一者中所述的该绝缘介电层3所构成的超级电容器，将 增加其内部扇区的分布，因而可更有效地提高介电常数值。 值得注意的是，在此实施例中，本发明的该超级电容器中的该上电极板1与该下 电极板2更可利用外加磁场及下列方式之一来改变所述多个磁性纳米颗粒32、和/或所述 多个金属原子点33、和/或所述多个磁性纳米柱34、和/或所述多个磁性纳米板35的磁化 方向(l)该外加磁场的方向平行于所述多个电极板之间的厚度方向，并且在该上电极板1 与该下电极板2中互为同向；(2)该外加磁场的方向平行于所述多个电极板之间的厚度方 向，并且在该上电极板1与该下电极板2中互为反向；(3)该外加磁场的方向垂直于所述多 个电极板之间的厚度方向，并且在该上电极板1与该下电极板2中互为同向；(4)该外加磁 场的方向垂直于所述多个电极板之间的厚度方向，并且在该上电极板1与该下电极板2中 互为反向。故所述多个纳米颗粒32、和/或所述多个金属原子点33、和/或所述多个磁性 纳米柱34、和/或所述多个磁性纳米板35在经不同方向的磁化后，能增加内部扇区的分布。 当扇区影响该绝缘介电层3的区域愈大时，则所造成的介电常数变化也将愈大。
此外，根据本发明的第六优选实施例，提供一种上述第一至第五优选实施例任一 者的超级电容器，其中该超级电容器的上电极板1及下电极板2的尺寸(长X宽X高) 可在0. 3 ii mXO. 01 ii mXO. 01 ii m(最小)至500 ii mX500 ii mX 1. 2 ii m(最大)的范围内调 整设计，所述多个电极板的形状可为长方形或椭圆形的结构，并且该绝缘介电层3的厚度 可被设计成约为10nm 1000nm。故在此实施例中，使用者可通过调整该上电极板1与该下 电极板2的尺寸和/或该绝缘介电层3的厚度以实现具有单位面积电容值高(约为102 109F/cm2)的超级电容器。 在此需注意的是，本发明所提出的所述多个纳米颗粒32、和/或所述多个金属原 子点33、和/或所述多个磁性纳米柱34、和/或所述多个磁性纳米板35可通过随机配置或 依使用者的设计而埋入该绝缘介电层3内的适当位置，且愈接近电极板(上电极板或下电 极板或二者)，所产生的介电常数将愈大。
接着，将详细说明制作本发明超级电容器的方法，在此仅以具有磁性电极板、磁性 纳米颗粒、和/或金属原子点、和/或磁性纳米柱、和/或磁性纳米板的超级电容器作代表 性说明，其在不超出本发明的原理与精神下，将可作适度修饰与改变(诸如应用在具有金 属电极板或半导体电极板、磁性纳米颗粒、和/或金属原子点、和/或磁性纳米柱、和/或磁 性纳米板的超级电容器制程)，而不应视为实施本发明的限制。 首先，在可由任何材料构成的基板上沉积出底层(诸如二氧化硅层)。接着利用溅 射体系在该底层上沉积具有高磁性的第一层，其中该第一层的材料可为诸如Au、Ag、Al、Fe、 Co、 Ni、 Pt、 Mn、 Sm、 Nb、 B、 Zn、 Ba、 Mg、 Y、 Gd、 Nd、 Dy、 Cr、 Eu、 As、 Bi、 Sb、 Cu、 Er、 Ce、它们的合 金(例如CoFe、 PtFe、 CoFeO、 MgFe、 CoNiFe、 Fe0、 PtMn、 SmFeCo或CoFeB)、及其他磁性材料
(例如稀土金属族)中的至少一种的磁性材料。 接下来利用微光刻技术(诸如，黄光微光刻技术、金属光掩模蚀刻技术或激光微 光刻技术)将该第一层制作成下电极板，其中该下电极板的尺寸(长X宽X高)可在 0. 3iimX0. OliimXO. Oliim(最小)至500 ii mX500 ii mX 1. 2 ii m(最大)的范围内设计。
随后，在该下电极板上覆盖一层具有高能隙介电质材料(诸如由二氧化硅、氮化 硅、氧化铝、氧化镁(Mg0)和氧化铪(Hf0)中的一种或它们的复合体构成的绝缘材料)且其 厚度约为10nm 1000nm的绝缘介电层，并在该绝缘介电层中适当地埋入多个具有磁性的 纳米颗粒、和/或多个由金属材料制成的金属原子点、和/或磁性纳米柱、和/或磁性纳米 板。若仅埋入所述多个磁性纳米颗粒，则其埋入密度介于每平方厘米约1 X 1011至约1 X 1014 之间。若仅埋入所述多个金属原子点，则其埋入密度介于每平方厘米约1 X 101Q至约1 X 1014 之间。若仅埋入所述多个磁性纳米柱，则其埋入密度介于每平方厘米约1X10S至约1X107 之间。若仅埋入所述多个磁性纳米板，则其埋入密度介于每平方厘米约1X10S至约1X107 之间。上述埋入该绝缘介电层中的材料尺寸可为相同或不同，并可重叠配置或为三维空间 的密度。此外，若在该绝缘介电层中配置有所述多个磁性纳米柱和/或所述多个磁性纳米 板，则其配置方式可相对于该绝缘介电层的厚度方向而被水平、垂直或随机配置在该绝缘 介电层中。 所述多个磁性纳米颗粒中每一个的尺寸约为lnm 500nm ;所述多个金属原子点 中每一个的尺寸约为lnm 500nm ;所述多个磁性纳米柱的直径约为10nm 100nm，长度 约为10nm 100nm;以及所述多个磁性纳米板中每一个的长、宽和高可分别约为10nm 100nm、10nm 100nm以及10nm 100nm。且所述多个磁性纳米颗粒、所述多个磁性纳米柱 以及所述多个磁性纟内米板可由Au、 Ag、 Al、 Fe、 Co、 Ni、 Pt、 Mn、 Sm、 Nb、 B、 Zn、 Ba、 Mg、 Y、 Gd、 Nd、 Dy、 Cr、 Eu、 As、 Bi、 Sb、 Cu、 Er、 Ce、它们的合金及其他磁性材料(例如稀土金属族)中的 至少一种构成。换言之，所述多个磁性纳米颗粒、所述多个磁性纳米柱以及所述多个磁性纳 米板可仅由某一特定磁性材料(诸如，Fe、 Co、 Ni、 Pt、 Mn或Sm)、或单一或多种磁性材料之 合金(诸如，CoFe、 CoFeO、 MgFe、 CoNiFe、 FeO、 PtFe、 CoFeB、 PtMn或SmFeCo等)，或由多种 不同单一磁性材料与它们的合金(诸如，Fe、CoFe、Ni、PtMn及SmFeCo)混合组成。
接着，再利用溅射体系在该绝缘介电层上沉积具有高磁性的第二层，其中该第二 层的材料可为诸如Au、Ag、Al、Fe、Co、Ni、Pt、Mn、Sm、Nb、B、Zn、Ba、Mg、Y、Gd、Nd、Dy、Cr、Eu、 As、 Bi、 Sb、 Cu、 Er、 Ce、它们的合金(例如CoFe、 PtFe或CoFeB)、及其他磁性材料(例如稀 土金属族)中的至少一种的磁性材料。
最后，利用微光刻技术(诸如，黄光微光刻技术、金属光掩模蚀刻技术或激光微 光刻技术)将该第二层制作成上电极板，其中该上电极板的尺寸(长X宽X高)可在 0.3iimX0. OliimXO. Oliim(最小)至500 ii mX500 ii mX 1. 2 ii m(最大)的范围内设计。
值得注意的是，上述超级电容器的该上电极板与该下电极板均可配合组件设计的 需求而任意调整极板的面积，以控制所需电容值的大小。再者，本发明所提出的具有磁性纳 米颗粒、和/或金属原子点、和/或磁性纳米柱、和/或磁性纳米板的超级电容器可通过随 机配置或依使用者的设计而埋入该绝缘介电层的适当位置，且所述多个磁性纳米颗粒、和/ 或所述多个金属原子点、和/或磁性纳米柱、和/或磁性纳米板愈接近上电极板或下电极板 或两者，则所产生的介电常数将愈大。 图9为例示将所述多个磁性纳米颗粒埋入该绝缘介电层后利用投射电子显微镜 (TEM)所观看到的显微视图。如图所示，为了使所构成的超级电容器具有较大的介电常数值 以便应用于集成电路(IC)制程，故本例示将所述多个磁性纳米颗粒埋在该电极板附近。
此外，前述制作超级电容器的方法中，还包括利用外加磁场退火系统及下列方式 之一来调整该上电极板与该下电极板的磁场方向的步骤(l)该外加磁场的方向平行于所 述多个电极板之间的厚度方向，并且在该上电极板与该下电极板中互为同向；(2)该外加 磁场的方向平行于所述多个电极板之间的厚度方向，并且在该上电极板与该下电极板中互 为反向；(3)该外加磁场的方向垂直于所述多个电极板之间的厚度方向，并且在该上电极 板与该下电极板中互为同向；(4)该外加磁场的方向垂直于所述多个电极板之间的厚度方 向，并且在该上电极板与该下电极板中互为反向。 此外，一般来说，在频率愈低的情况下，愈能显现组件的电容特性且亦较能得出更 准确的介电常数值。因此，为了使本发明所属技术领域中的普通技术人员能更加了解本发 明的超级电容器的功效，在此将该超级电容器所呈现的电容值与其测量频率之间的对应 关系用图10的曲线图说明如下。如图IO所示，因本发明的电极板的尺寸可被设计成在 0. 3 ii mXO. 01 ii mXO. 01 ii m(最小)至500 ii mX 500 ii mX 1. 2 ii m(最大)之间，并且所述多 个电极板之间的该绝缘介电层的厚度可被设计成10nm 1000nm，故当在频率愈低时(例如 1 10Hz)时，则对应产生的介电常数值(e s = 108 1016F/m)、电容值(C = 10—卞 10—2F) 及单位面积电容值(约为102 109F/cm2)将愈高。因此，本发明具有超高电容值的超级电 容器将可大大提升储能系统(诸如蓄电池)的蓄电能力，对适用于高频状态的超大电容组 件部份，也可适当地调变1。/ u F(其中1。是电容器内有效电子的移动距离，u F为电子自身 的热速度)来获得超快的弛豫时间，以达到高频响应的需求。 由前述说明可知，本发明使用简单结构和简单制程来实现超级电容器，且制作超
级电容器的材料可为目前常见的磁性材料或金属材料，故在制造本发明的超级电容器时，
不仅取材方便，而且除了可运用在需要超高电容的电子组件或设备上以及集成电路(ic)
上外，还可将其高储存电能的特性应用在高效能的储能装置(如蓄电池)上。 以上所述内容仅为本发明的优选实施例，但本发明的实施范围并非局限于此。例
如，本发明因结构简单且制程温度约在30(TC 70(TC，故可应用于各种基板上(诸如硅、
多晶硅、玻璃、金属板、不锈钢板或耐高温的高分子基板)；所述多个电极板、所述多个纳米
颗粒或所述多个金属原子点的形状也可设计为圆形、椭圆形或其他多边形；本发明的超级
电容器也可通过一般电容器的串并联特性来调整其电容值，并且其串并联后的电极面积或整体体积十分微小从而仍可应用在集成电路(IC)上；因本发明所提出的超级电容器尺寸 很小(介于0.3iimX0.01iimX0.01iim(最小) 500 ii mX500nmX 1. 2 ii m(最大)之间)， 故本发明不仅可被实施于集成电路(如VLSI之栅极电容)、需超大电容的组件或设备、及 高容量的蓄电装置或储能装置上，而且诸如电子装置(如投影装置、手机或其他通讯装置、 PDA、录放像装置、影音装置、各类显示器、摄像装置、笔记本型计算机、个人计算机或其外围 设备等)、光电装置、照明装置、不断电系统、医疗仪器、家电装置(如电磁炉、电暖炉、电风 扇、电动门、电热水器或各种电动机启动装置)、个人电子用品(如电动刮胡刀、电动牙刷、 计时装置等)、交通工具(如自行车、汽车、摩托车或各种火车)及其他大型机械装置(如 船、艇或其他飞行装置)等也均在本发明可应用的范围内。因此，在不脱离本发明的原理及 精神下，所属技术领域中的普通技术人员根据本发明权利要求的范围的说明书内容所作的 修饰与变化，均应属于本发明专利所涵盖的范围。
权利要求
一种超级电容器，包含上电极板、绝缘介电层和下电极板，其特征在于，该绝缘介电层由具有高能隙的绝缘材料以及埋入该绝缘材料中的多个磁性纳米颗粒、和/或多个磁性纳米柱、和/或多个磁性纳米板、和/或多个金属原子点构成。
2. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，该上电极板和该下电极板由磁性材 料制成。
3. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述多个磁性纳米颗粒、所述多个磁 性纳米柱及所述多个磁性纳米板由Au、 Ag、 Al、 Fe、 Co、 Ni、 Pt、 Mn、 Sm、 Nb、 B、 Zn、 Ba、 Mg、 Y、 Gd、 Nd、 Dy、 Cr、 Eu、 As、 Bi、 Sb、 Cu、 Er、 Ce、它们的合金及其他磁性材料中的至少一种构成。
4. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述多个金属原子点由金属材料构成。
5. 如权利要求4所述的超级电容器，其特征在于，该金属材料由Au、Ag、Al、Fe、Co、Ni、 Pt、 Mn、 Sm、 Nb、 B、 Zn、 B a、 Mg、 Y、 Gd、 Nd、 Dy、 Cr、 Eu、 As、 Bi、 Sb、 Cu、 Er、 Ce、它们的合金及其 他金属材料中的至少一种构成。
6. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，该绝缘介电层中所埋入的所述多个 磁性纳米颗粒的密度介于每平方厘米约1X1011个至约1X1014个之间，并且其可重叠配置 或为三维空间的密度。
7. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，该绝缘介电层中所埋入的所述多个 磁性纳米柱的密度介于每平方厘米约1 X 105至约1 X 107之间，并且所述多个磁性纳米柱可 相对于该绝缘介电层的厚度方向而被水平、垂直或随机配置在该绝缘介电层中。
8. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，该绝缘介电层中所埋入的所述多个 磁性纳米板的密度介于每平方厘米约1 X 105至约1 X 107之间，并且所述多个磁性纳米板可 相对于该绝缘介电层的厚度方向而被水平、垂直或随机配置在该绝缘介电层中。
9. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，该绝缘介电层中所埋入的所述多个 金属原子点的密度介于每平方厘米约1X101Q个至约1X1014个之间，并且其可重叠配置或 为三维空间的密度。
10. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述多个磁性纳米颗粒中每一个 的尺寸约为lnm 500nm，其埋入该绝缘介电层中的尺寸可为相同或不同，且可被配置成链 状。
11. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述多个金属原子点中每一个的尺 寸约为lnm 500nm，其埋入该绝缘介电层中的尺寸可为相同或不同，且可被配置成链状。
12. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述多个磁性纳米柱中每一个的直 径约为10nm 100nm，长度约为10nm 100nm，其埋入该绝缘介电层中的尺寸可为相同或 不同。
13. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，所述多个磁性纳米板中每一个的 长、宽和高可分别约为10nm 100nm、10nm 100nm以及10nm 100nm，其埋入该绝缘介电 层中的尺寸可为相同或不同。
14. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，该绝缘介电层的厚度约为10nm 1000nm。
15. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，该绝缘材料可由绝缘体构成。
16. 如权利要求15所述的超级电容器，其特征在于，该绝缘体可为二氧化硅、氮化硅、 氧化铝、氧化镁(Mg0)和氧化铪(Hf0)中的任一种或它们的复合体。
17. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，该上电极板与该下电极板的长度约 为0. 3 ii m 500 ii m、宽度约为0. 01 ii m 500 ii m以及高度约为10nm 5000nm。
18. 如权利要求1 17中任一项所述的超级电容器，其特征在于，该上电极板与该下电 极板中的磁场方向与所述多个电极板之间的厚度方向相平行，并且互为同向。
19. 如权利要求1 17中任一项所述的超级电容器，其特征在于，该上电极板与该下电 极板中的磁场方向与所述多个电极板之间的厚度方向相平行，并且互为反向。
20. 如权利要求1 17中任一项所述的超级电容器，其特征在于，该上电极板与该下电 极板中的磁场方向与所述多个电极板之间的厚度方向相垂直，并且互为同向。
21. 如权利要求1 17中任一项所述的超级电容器，其特征在于，该上电极板与该下电 极板中的磁场方向与所述多个电极板之间的厚度方向相垂直，并且互为反向。
22. 如权利要求1所述的超级电容器，其特征在于，该上电极板和该下电极板由金属材 料或半导体制成。
23. —种制作超级电容器的方法，包括 在基板上沉积出底层； 在该底层上沉积具有高磁性的第一层； 利用微光刻技术将该第一层制作成下电极板；在该下电极板上覆盖具有高能隙的绝缘介电层，并在该绝缘介电层中埋入多个磁性纳 米颗粒、和/或多个磁性纳米柱、和/或多个磁性纳米板、和/或多个金属原子点； 在该绝缘介电层上沉积具有高磁性的第二层；以及 利用微光刻技术将该第二层制作成上电极板。
24. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，该底层为二氧化硅层。
25. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，该第一层和该第二层由磁性材料构成。
26. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述多个磁性纳米颗粒、所述多个磁性纳 米柱及所述多个磁性纟内米板由Au、 Ag、 Al、 Fe、 Co、 Ni、 Pt、 Mn、 Sm、 Nb、 B、 Zn、 Ba、 Mg、 Y、 Gd、 Nd、 Dy、 Cr、 Eu、 As、 Bi、 Sb、 Cu、 Er、 Ce、它们的合金及其他磁性材料中的至少一种构成。
27. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述多个金属原子点由金属材料制成。
28. 如权利要求27所述的方法，其特征在于，该金属材料由Au、 Ag、 Al、 Fe、 Co、 Ni、 Pt、 Mn、 Sm、 Nb、 B、 Zn、 Ba、 Mg、 Y、 Gd、 Nd、 Dy、 Cr、 Eu、 As、 Bi、 Sb、 Cu、 Er、 Ce、它们的合金及其他金 属材料中的至少一种所构成。
29. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，埋入该绝缘介电层中的所述多个磁性纳 米颗粒的密度介于每平方厘米约1X10"个至约1X1014个之间，并且其可重叠配置或为三 维空间的密度。
30. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，埋入该绝缘介电层中的所述多个磁性纳 米柱的密度介于每平方厘米约1 X 105至约1 X 107之间，并且所述多个磁性纳米柱可相对于 该绝缘介电层的厚度方向而被水平、垂直或随机配置在该绝缘介电层中。
31. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，埋入该绝缘介电层中的所述多个磁性纳 米板的密度介于每平方厘米约1 X 105至约1 X 107之间，并且所述多个磁性纳米板可相对于该绝缘介电层的厚度方向而被水平、垂直或随机配置在该绝缘介电层中。
32. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，埋入该绝缘介电层中的所述多个金属原 子点的密度介于每平方厘米约1X101Q个至约1X1014个之间，并且其可重叠配置或为三维 空间的密度。
33. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述多个磁性纳米颗粒中每一个的尺寸 约为lnm 500nm，其埋入该绝缘介电层中的尺寸可为相同或不同，且可被配置成链状。
34. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述多个金属原子点中每一个的尺寸约 为lnm 500nm，其埋入该绝缘介电层中的尺寸可为相同或不同，且可被配置成链状。
35. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述多个磁性纳米柱中每一个的直径约 为10nm 100nm，长度约为10nm 100nm，且其埋入该绝缘介电层中的尺寸可为相同或不 同。
36. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述多个磁性纳米板中每一个的长、宽和 高可分别约为10nm 100nm、10nm 100nm以及10nm 100nm，且其埋入该绝缘介电层中 的尺寸可为相同或不同。
37.如权利要求2 3所述的方法，其特征在于，该绝缘介电层的厚度约为10 nm 1000nm。
38. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，该绝缘材料可由绝缘体构成。
39. 如权利要求38所述的方法，其特征在于，该绝缘体可由二氧化硅、氮化硅、氧化铝、 氧化镁(MgO)和氧化铪(HfO)中的任一种或它们的复合体构成。
40. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，该上电极板和该下电极板的长度约为 0. 3 ii m 500 ii m、宽度约为0. 01 ii m 500 ii m以及高度约为10nm 5000nm。
41. 如权利要求23 40中任一项所述的方法，其特征在于，还包括利用外加磁场退火 系统以调整该上电极板与该下电极板的磁场方向的步骤。
42. 如权利要求23 40中任一项所述的方法，其特征在于，该磁场方向平行于所述多 个电极板之间的厚度方向，并且在该上电极板与该下电极板中互为同向。
43. 如权利要求23 40中任一项所述的方法，其特征在于，该磁场方向平行于所述多 个电极板之间的厚度方向，并且在该上电极板与该下电极板中互为反向。
44. 如权利要求23 40中任一项所述的方法，其特征在于，该磁场方向垂直于所述多 个电极板之间的厚度方向，并且在该上电极板与该下电极板中互为同向。
45. 如权利要求23 40中任一项所述的方法，其特征在于，该磁场方向垂直于所述多 个电极板之间的厚度方向，并且在该上电极板与该下电极板中互为反向。
46. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，该第一层和该第二层由金属材料或半导 体材料制成。
47. 如权利要求23所述的方法，其特征在于，该微光刻技术可为黄光微光刻技术、金属 光掩模蚀刻技术及激光微光刻技术中的任一种。
全文摘要
本发明提供一种超级电容器及其制作方法，该超级电容器由多个电极板与绝缘介电层组合而成，利用磁性纳米颗粒、和/或多个磁性纳米柱、和/或多个磁性纳米板、和/或金属原子点埋藏在绝缘介电层中，并施加磁场使其磁化而建立内部磁场，进而影响该绝缘介电层的极化率，达到提高介电常数的功效。此外，利用由磁性材料所构成的电极板并且利用外加磁场以改变多个磁性纳米颗粒、和/或多个磁性纳米柱、和/或多个磁性纳米板、和/或金属原子点的磁化方向均能有效提高该超级电容器的介电常数值。
文档编号H01G9/07GK101777433SQ20091000012
公开日2010年7月14日 申请日期2009年1月8日 优先权日2009年1月8日
发明者张俊彦 申请人:张俊彦