专利名称：带有面积增加的电极的全电子电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及能量存储器。背景能量存储器对于各种大量电子设备，特别是对于移动设备和车辆而言是至关重要的部分。能量存储器件是基于多种物理效应的。例如，可利用电场在电容器中存储能量，可利用化学反应(包括离子运动)在电池中存储能量。然而，电容器中的能量存储可能受到器件几何形状的限制(如，2-D电容器具有有限面积)，且电池可能由于电化学反应中固有的离子运动而具有缓慢的响应时间。电池供电的设备(诸如气动或电动车辆)经常在性能方面受限于电池单位重量所存储的较低能量。电池由于存储在电池中的离子的较大的尺寸和重量而具有较低的存储密度。电池中缓慢的离子转移也导致缓慢的充电和放电性能。进一步，已有电池中对离子转移的依赖导致电池较高的退化率。相应地，必需改进现有技术以提供能量存储器，其具有比电容器更高的能量密度、 比电池更快的充电/放电和/或比电池长得多的寿命。概述通过组合使用两种物理效应而提供改进的能量存储器。第一种效应可称为全电子电池(AEB)效应，且涉及使用嵌入电容器中两个电极之间的介电结构中的夹杂物。电子可隧穿电极间的介电以及夹杂物，藉此相比传统电容器增加了电荷存储密度。第二种效应可称为面积增加效应，并涉及在电极的一个或两个上使用微结构或纳米结构以提供相对电极的几何面积而言增加的界面面积。面积增加有利于减少器件的自放电率。应用包括电动车辆能量存储器(EV或PHEV电池)、便携式电子设备(膝上型电脑、 手机等)以及部队装备/武器(troop gear/weapon)，其中优势包括较高的能量密度存储 (可能大于250Whr/kg)、较高功率密度存储( 108W/kg)、快速的充电/放电率和因为没有化学反应而具有较低的随时间的退化。进一步的优势包括没有移动的原子/离子，没有灾难性的、不安全的故障的风险。本发明涉及具有甚高存储密度的电容器和电子电池。由于本方法依靠存储为电子而不是离子的电能，所以提供了具有较高存储容量的小而轻的器件。进一步，电子转移容许快速的充电与放电。相对于现有的能量存储器件，本固态器件还可具有改进的寿命。在这个办法中，不同于表面电荷(如，传统的电容器)或离子(如，电池)，能量存储是经由大量电子完成的。附图简述
图1示出了本发明的实施例。图2示出本发明另一实施例。图3示出了本发明的进一步实施例。图4示出本发明的实施例的详细视图。图5示出适于用在本发明实施例中的若干种夹杂物。
图6a_b示出根据本发明的实施例的不同尺寸的夹杂物的使用的示例。图7a_e示出本发明的实施例的第一制造顺序。图示出本发明的实施例的第二制造顺序的最后步骤。图9示出本发明的实施例的第三制造顺序的最后步骤。图IOa示出涉及本发明原理的用于实验的控制结构。图IOb示出用于图IOa的控制结构的I_V数据。图Ila示出涉及本发明原理的测试结构。图llb-f示出来自图Ila的测试结构的实验数据。详细描述图1示出了本发明的实施例。在此示例中，电极106包括微结构或纳米结构的特征，其中一个被引用为108。这些电极特征提供了相比电极几何面积的增大的界面面积(也就是，活动面积)。绝缘层104设置在电极106的顶部。夹杂物设置在绝缘层104的顶部。 夹杂物的其中一个被引用为110。夹杂物由绝缘层所围绕，绝缘层中的一个被引用为112。 设置第二电极102，从而在电极之间形成介电结构。在这个示例中，介电结构包括层104和 112。夹杂物设置在这个介电结构中。夹杂物能通过隧穿介电结构将电子转移到至少一个电极处或从至少一个电极处转移出来。通过在夹杂物之间建立电荷分离可存储能量，通过将这个电荷分离作为能量源可提供能量。图2和3示出一些可选择的几何可能性。更具体地，图2的示例类似图1的示例， 除了图1的叉指电极102由图2的平板电极204所替代，图2的介电结构包括介电填充区域202。图3的示例与图2的示例类似，除了图3的顶部电极302是纳米结构的，且在这个电极附近也有夹杂物。由介电层围绕的数个夹杂物层可被设置在一个或两个电极的顶部。如上所述，将器件的一个或两个电极构造为微结构或纳米结构这一点是为了提供电极面积增加。可用面积增加比值a =参数化纯粹几何效应，其中Ai是界面面积 (也就是活动面积)，而Ag是几何面积。电容将成比例地根据面积增加因子而增加C = ε ε ^Jd = ε ε。aAg/d(1)纳米线电极全电子电池的一个可能的实施例在电极上使用导电的MSi纳米线来增加界面面积，尽管可以理解任何导电材料都是可以的。MSi纳米线生长过程是容易理解的，且可产生面积增加因子a 50-100。纳米结构的电极的优势在于它将降低成本，因为制造AEB的成本随着所沉积的几何面积而变化，但是使用纳米结构的电极，每个几何面积上的能量密度将会增加因子a。优选地，面积增加因子为1.5或更大。更优选地，这个因子为5或更大，且更优选地，这个因子为10或更大。使用纳米结构的电极的另一个优势是自放电率将下降随着a指数级地变化的因子。本质上AEB适于传递较高的功率密度，因为薄的隧穿层容许快速的充电/放电。基于同一个理由，朴素设计的AEB将经受不可思议的高的自放电率。假设没有不利的副作用且自放电仅由通过电容器的分流电阻的放电引起的漏电流发生，给定材料的电阻率，这个漏电流可被计算。根据下式，结果是存储在平行板电容器上的电荷的量随时间而指数级地下降
权利要求
1.一种固态能量存储器件，包括第一电极；第二电极；设置在所述第一和第二电极之间的介电结构；和设置在所述介电结构中的一个或多个夹杂物，能够通过隧穿所述介电结构将电子转移到至少一个所述电极上或从所述至少一个电极上转移出来；其中所述第一和第二电极中的至少一个是微结构的以提供比几何面积更大的活动面积；其中所述器件能通过在所述夹杂物之间建立电荷分离而存储能量，且其中所述器件能通过将所述电荷分离用作能量源而提供能量。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述第一和第二电极中的至少一个具有活动面积与几何面积的比值为1. 5或更大。
3.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件是二端子器件，仅具有所述第一和第二电极作为外部端子。
4.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述第一和第二电极每一个具有1μ m2或更大的几何面积。
5.如权利要求1所述的器件，其特征在于，通过在所述第一和第二电极之间施加5V或更大的电压来在所述夹杂物之间建立所述电荷分离。
6.如权利要求1所述的器件，其特征在于，当存在所述电荷分离时，所述器件的体积平均的电荷分离密度为1θΛΓ/ηπι3或更大。
7.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述夹杂物选自由以下构成的组量子阱、 量子线、量子点和体材料。
8.如权利要求1所述的器件，其特征在于，根据尺寸来设置所述夹杂物以提供所述夹杂物的平滑的功函数梯度。
9.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述夹杂物中的第一夹杂物由所述夹杂物中的数个其他夹杂物所围绕，所述数个其他夹杂物中的每一个具有比所述第一夹杂物小的尺寸。
10.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述夹杂物中的第一夹杂物由所述夹杂物中的数个其他夹杂物所围绕，所述数个其他夹杂物中的每一个具有比所述第一夹杂物大的尺寸。
11.如权利要求1所述的器件，其特征在于，将所述夹杂物中的一些或全部组织为设置在所述介电结构中或上的功能层。
12.如权利要求11所述的器件，其特征在于，所述功能层包括具有不同功函数的不同材料，且其中所述功能层被设置为形成费米能级梯度。
13.如权利要求11所述的器件，其特征在于，所述功能层包括电子亲和性低于部分或全部的所述介电结构的电子亲和性的材料。
14.如权利要求11所述的器件，其特征在于，所述功能层的两个或多个被设置在多层堆叠中，且通过一个或多个势垒层彼此间隔。
15.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述介电结构包括两个或更多的介电层。
全文摘要
通过组合使用两种物理效应而提供改进的能量存储器。第一种效应可称为全电子电池(AEB)效应，并涉及使用嵌入电容器中两个电极之间的介电结构中的夹杂物。电子可隧穿电极间的介电以及夹杂物，藉此相比传统电容器增加了电荷存储密度。第二种效应可称为面积增加效应，并涉及在电极的一个或两个上使用微结构或纳米结构以提供相对电极的几何面积而言增加的界面面积。面积增加有利于减少器件的自放电率。
文档编号H01L21/02GK102439694SQ201080015815
公开日2012年5月2日 申请日期2010年3月29日 优先权日2009年4月1日
发明者F·B·普林兹, T·P·霍姆, 臼井高峰 申请人:利兰·斯坦福青年大学托管委员会