用于在电储能器中使用的介电材料的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于在电储能器(10)中使用的介电材料，其包括至少两个纳米结构(18，20，22，24)，所述纳米结构分别嵌入电绝缘基质(28)中，该电绝缘基质由具有比纳米结构(18，20，22，24)的材料更大的带隙的材料构成。提出了，与能从外部应用的电场的方向(16)平行地调整载流子在两个纳米结构(18，20，22，24)之间隧穿的、不等于零的概率。
【专利说明】用于在电储能器中使用的介电材料
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的介电材料以及一种具有这种介电材料的电储能器。本发明的有利扩展方案在从属权利要求中予以说明。
【背景技术】
[0002]能量存储是中心技术问题,该技术问题对于多样化应用-如电动车辆、移动通信、膝上型电脑或再生能量的暂存一而言非常重要。
[0003]在假定线性的各向同性介质在储能器的场填充的体积V中具有相对介电常数ε r的情况下，存储在储能器的电场中的能量Wel可以通过如下表达式(ε ^ =真空的介电常数)来再现:
[0004]Wel =1/2 / dV ε 0 ε r|E|2
[0005]其中I E I为体积元dV中的电场的绝对值。
[0006]电储能器的当前解决方案具有比较高的存储器密度与自重之比(200_300Wh/kg)，然而还具有低的充电和放电速度。
[0007]而所谓的超级或超电容器(“Super-caps”)的特征在于非常快的充电和放电时间以及明显更高的使用寿命。然而，存储器密度典型地还处于电化学电池的数量级以下的数量级。
[0008]曾提出使用具有高介电常数L的材料来改善电能的存储。此外，曾提出增大有效电极面积和使用纳米结构的解决方案，其中所述纳米结构嵌入到介电层中。这种储能器例如在出版物US 2010/0183919A1中予以描述。
【发明内容】
[0009]本发明的主题是一种用于在电储能器中使用的介电材料，其包括至少两种纳米结构，所述纳米结构分别嵌入电绝缘基质中，该基质由具有比纳米结构的材料更大的带隙的材料构成。
[0010]提出了，与可从外部应用的电场的方向平行地调整载流子在两个纳米结构之间隧穿的、不等于零的概率。在上下文中，在“平行方向”的说明中也应尤其是包含相反的反平行方向。
[0011]由此在合适设计的情况下可以提供介电材料的高可极化性，同时电击穿强度高，也就是说，在电储能器中有最大的高电场强度。例如，在将该介电材料使用在电容器中时锂离子电池的优点(高储能器密度)与超级电容器的优点(快速充电和放电，高可循环性)结合。附加地，所提出的介电材料的特征在于低温度相关性。
[0012]除了用于能量存储之外，具有带高电击穿强度的所提出的介电材料的电容器也非常适合用于高电压应用、用于电压转换、尤其是通过直流电压转换器(“电荷泵”)以及其他应用领域如滤波器应用，其从高电压或小空间上的电容获益。
[0013]有利地，可以形成量子阱、量子线或量子点的纳米结构。
[0014]此外提出了，介电材料具有多个纳米结构，其在可从外部应用的电场的方向上形成纳米结构，其中在每两个在电场的方向上相邻的纳米结构之间调整载流子在纳米结构之间平行于电场方向隧穿的、不等于零的概率。由于所应用的场强度作用于多个纳米结构的串联电路，所以在合适设计的情况下可以实现高电击穿强度。
[0015]当在可从外部施加的电场的方向上相继地布置至少三个分别嵌入绝缘基质中的纳米结构时，可以有利地实现特别高的电击穿强度。
[0016]此外提出的是，将载流子在纳米结构之间平行于电场方向隧穿的概率调整为单调上升或单调下降。由此，可以避免在可从外部应用的场强提高的情况下介电材料的介电常数的提如的饱和特性并且实现了电能的存储能力提闻。
[0017]这特别是在载流子在纳米结构之间平行于电场方向隧穿的概率调整为严格单调上升或严格单调下降时情况如此。“严格单调”在本上下文中应尤其是理解为:载流子在两个在所应用的场强方向上相邻的纳米结构之间隧穿的第一概率不等于载流子在两个纳米结构之间隧穿的第二概率，其中至少一个纳米结构与首次提及的纳米结构不同。尤其是，可以通过载流子隧穿的概率的单调上升或单调下降实现限定的可再现的载流子隧穿。
[0018]载流子在纳米结构之间平行于电场方向隧穿的概率的调整可以通过在具有不同层厚度或不同材料组成的纳米结构之间安置隔离层和/或通过具有不同伸展或不同材料组成的纳米结构来实现。概率的调整也可以由参数的组合构成。为了得到宏观的介电材料，可重复嵌入电绝缘基质中的纳米结构的序列并且必要时由合适的隔离层分离。
[0019]此外提出了，纳米结构中的至少一个基本上由掺杂的半导体材料构成。半导体材料的“掺杂”在本上下文中尤其应理解为:半导体材料按半导体技术上常规的方式以小于10ppm的浓度搀以对本领域技术人员显得合适的掺杂材料原子。作为半导体材料考虑例如硅S1、砷化镓GaAs、锗Ge、碳化硅SiC和氮化镓GaN，但也可以考虑其他对本领域技术人员显得有意义的材料和其组合。“基本上”在本上下文中尤其理解为，纳米结构优选至少70%原子百分比、优选至少80%原子百分比、并且特别优选地至少90%原子百分比的份额由掺杂的半导体材料构成。尤其是，纳米结构也可以完全由掺杂的半导体材料构成。
[0020]对高介电常数所需的与场有关的偶极子在此情况下由掺杂材料原子的可运动的载流子和离子化的掺杂材料原子形成并且可以在不同的纳米结构上延伸，由此可以实现高极化。例如，在掺杂的量子点的情况下电子可以作为η掺杂的纳米结构和离子化的带正电的掺杂材料原子的多数载流子。在无电场的情况下，自由运动的电子和位置固定的掺杂材料原子均匀分布，并且介电材料是非偶极的。在提高所应用的电场强度的情况下，载流子开始从纳米结构隧穿进相邻结构中，由此以期望方式形成电偶极子。
[0021]特别有利地，绝缘基质基本上由选自如下组的材料构成，所述组由氧化硅S12、氧化铝Al2O3、淡化硅SiN、碳化硅SiC、氮化镓GaN和这些材料的任意组合构成，通过所述材料可以特别简单且多样地实现相对纳米结构的材料绝缘的能量势垒。“基本上”在本上下文中同样像前面所描述的那样理解。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]其他优点从如下附图描述中得出。在附图中，示出了本发明的实施例。附图、说明书以及权利要求包含许多特征的组合。对于专业人员而言，这些特征也合乎目的地单独考虑并且组合成其他合理的组合。
[0023]图1示出了具有根据本发明的介电材料的储能器的示意图，
[0024]图2a_2c示出了由四个纳米结构构成的纳米结构链的能量关系的示意图，以及
[0025]图3示出了根据图1的储能器的原理性的充电和放电曲线。
【具体实施方式】
[0026]图1以侧视图示出了带有根据本发明的介电材料的电储能器10的示意图。介电材料布置在两个板状的金属电极12、14之间，所述电极彼此平行并且垂直于附图平面延伸。在电极12、14之间通过与未示出的电压源接触可以施加电势差，通过该电势差基本上在电极12、14之间可产生可从外部应用的电场,该电场具有方向16,其垂直于电极12、14的平行板平面并且根据通常的约定从较高电势的位置指向较低电势的位置。
[0027]介电材料在八个层26中包括多个纳米结构18、20、22、24，其中层26分别具有由硅簇构成的量子点30形成的纳米结构18、20、22、24，这些纳米结构嵌入电绝缘基质28中。八个层26在可从外部施加电场的方向上相叠布置成两个相同构建的各四个层26的堆叠32、34。层26构建为矩形的板并且平行于电极12、14走向。量子点30在相应的层26的平面中沿两个不平行的方向以周期间隔地布置(未示出)，所述方向平行于所述平面取向。
[0028]八个层26的电绝缘基质28主要、而且尤其完全由氧化硅S12构成。纳米结构18，20，22，24由η掺杂的硅构成。电绝缘基质28因此具有比纳米结构18，20，22，24的材料更大的带隙。
[0029]在八个层26之间以及在电极12、14与朝向每个电极12、14的层26之间，电储能器10分别具有构建为矩形板的隔离层40，42，44，46，48，所述隔离层由氧化铝Al2O3构成。在此，隔离层42，44，46的厚度沿电场的方向减小。在两个在电场的方向16上相继的纳米结构18，20，22，24之间调整由电子形成的载流子在两个纳米结构18，20，22，24之间隧穿的概率，所述概率不等于零。两个相同构造的堆叠32，34的每个的四个纳米结构18，20，22，24各形成一个纳米结构链36，38，在所述纳米结构链中在每两个在电场的方向16上相邻的纳米结构18，20，22，24之间调整载流子在纳米结构18，20，22，24之间平行于电场方向16隧穿的、不等于零的概率。通过隔离层40，42，44，46的层厚度在电场的方向16上减小，载流子在相邻纳米结构18，20，22，24之间沿电场方向16隧穿的概率单调上升。
[0030]在两个相同构建的各四个层26的堆叠32、34之间布置的隔离层48以最大的层厚度来实施，使得在两个堆叠32，34之间形成能量势垒56，其比由其他隔离层40，42，44，46形成的能量势垒50，52，54大得多，并且载流子通过两个堆叠32、34之间的隔离层48隧穿的概率对于实际目的而言可以假设为零。
[0031]介电材料的功能在图2a至2c中示意性地阐述。通过在两个各带四个纳米结构18，20，22，24的堆叠32、34之间的隔离层48 (所述隔离层不允许载流子在堆叠32、34之间隧穿)，这两个堆叠32、34鉴于图2的图示被视为彼此无关。
[0032]图2a以在没有从外部应用的电场的状态下与位置有关的能量的图示示出了由四个纳米结构18，20，22，24构成的堆叠32。可看到各个纳米结构18，20，22，24在能量上通过能量势垒50，52，54彼此分离，这些能量势垒沿可应用的电场的方向16下降。在无电场的情况下，电子和掺杂材料原子相同分布。介电材料未被极化并且是非偶极的。极化的程度在图2a_2c的下部分中通过电荷重心的位置来表示。
[0033]图2b示出了在带有沿方向16从外部施加的相对低的电场的状态下的介电材料。通过施加电场，使包含量子点30的能带移动。移动首先仅实现通过量子点30之间的具有最小高度的能量势垒50的隧穿。由此，第一量子点30的位置固定的并且可动的电荷被分离并且介电材料处于部分极化的状态中。
[0034]图2b示出了处于如下状态的介电材料，在该状态下沿方向16从外部施加的电场实现最大极化并且可运动的电荷基本上完全隧穿至能量上位于最深的量子点30。
[0035]图3示出了根据图1的储能器10的理论性的充电和放电曲线，其中电极12、14的假定面积为Icm2并且电极12、14的距离为I μ m,电极的介电材料在最大极化的状态中达到1000的相对介电常数er0基于根据图2a的平衡状态，极化在曲线区段58中上升，直至达到根据图2c的状态。在由于电场的进一步升高形成的曲线区段60中，出现饱和，在饱和中电荷不再升高。
[0036]在放电过程中(其通过另一曲线区段62来反映)，介电材料的极化首先不改变，因为所有载流子在能量上处于最深的量子点30中被捕获。在达到电场的临界强度时，所有载流子离开能量上处于最深的量子点30，并且出现介电材料的极化的突然翻转(曲线区段62)。在电极12、14之间达到正电场强度时，可运动的载流子重新开始隧穿至由量子点30形成的相邻的纳米结构18，20，22，24 (曲线区段64)。
【权利要求】
1.用于在电存储器(10)中使用的介电材料，其包括至少两个纳米结构(18，20，22，24)，所述纳米结构分别嵌入由如下材料构成的电绝缘基质(28)中，所述材料具有比所述纳米结构(18，20，22，24)的材料更大的带隙，其特征在于，与能从外部应用的电场的方向(16)平行地调整载流子在两个纳米结构(18，20，22，24)之间隧穿的、不等于零的概率。
2.根据权利要求1所述的介电材料，其特征在于多个纳米结构(18，20，22，24)，所述纳米结构在能从外部应用的电场方向(16)上形成纳米结构链(36，38)，其中在每两个在电场方向(16)上相邻的纳米结构(18，20，22，24)之间调整载流子在所述纳米结构(18，20，22，24)之间与电场方向(16)平行地隧穿的、不等于零的概率。
3.根据权利要求2所述的介电材料,其特征在于,在能从外部施加的电场方向(16)上相继地布置至少三个分别嵌入绝缘基质(28)中的纳米结构(18，20，22，24)。
4.根据上述权利要求之一所述的介电材料，其特征在于，载流子在纳米结构(18，20，22，24)之间平行于电场方向(16)隧穿的概率被调整为单调上升或单调下降。
5.根据上述权利要求之一所述的介电材料，其特征在于，所述纳米结构(18，20，22，24)中的至少一个基本上由掺杂的半导体材料构成。
6.根据上述权利要求之一所述的介电材料，其特征在于，绝缘基质(28)基本上由选自如下组的材料构成，所述组由氧化硅S12、氧化铝Al2O3、氮化硅SiN、碳化硅SiC、氮化镓GaN和这些材料的任意组合构成。
7.电储能器(10)，其具有根据上述权利要求之一所述的介电材料。
【文档编号】H01L49/02GK104272483SQ201280067941
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2012年12月10日 优先权日:2012年1月24日
【发明者】T·皮尔克, T·聚纳, M·埃卡特, R·勒尔弗, F·赫南德斯纪廉 申请人:罗伯特·博世有限公司