石墨烯电容器的制作方法

本实用新型涉及电学元件领域，具体涉及一种石墨烯电容器。

背景技术：

化学电池是通过电化学反应，产生电荷转移来储存电荷的，使用寿命较短，并且受温度影响较大，同时，大电流会直接影响这些电池的寿命，因此，化学反应的电池很难满足目前的需要。

目前，储存电能的超级电容器日益为社会需要。提高电容器容量可通过增加其电极面积，或者减小其电极间距实现。在体积固定的情况下，减小电极间距是提升容量的较好的途径。通常的电容器作为间距的绝缘材料为薄膜，一般都在微米量级以上，电容容量很难在得以大幅度提升。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种石墨烯电容器，该电容器具有导电性能好、比表面积大，电容大的优点。

本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的：

本实用新型提供了一种石墨烯电容器，包括

碳化硅支撑层，

所述的碳化硅支撑层上依次层叠的设置有电极层和绝缘介质层，所述的电极层比所述的绝缘介质层多1层，所述的绝缘介质层和与其相邻的电极层形成电容器单元；

所述的电极层至少一层材质为石墨烯；

所述的绝缘介质层材质为碳化硅或压电材料，所述的绝缘介质层的厚度为50nm-800nm；

所述的电容器单元的数量为1-500。

进一步的，所述的绝缘介质层材质为碳化硅，所述的电极层材质为石墨烯，所述的石墨烯由绝缘介质层或支撑层的碳化硅经脱硅处理得到。

进一步的，所述的电容器单元的数量＞1，所述的电容器单元并联。

进一步的，所述的并联为所述的电容器单元的正电极层通过金电极A相连，所述的电容器单元的负电极层通过金电极B相连。

进一步的，所述的绝缘介质层与其前一层石墨烯之间设置有氧化锌层。

进一步的，所述的电容器单元的数量为1，所述的压电材料为钛酸盐，所述的压电材料上设置有金电极层。

进一步的，所述的钛酸盐为钛酸钡或钛酸锶。

进一步的，所述的石墨烯为单层石墨烯。

与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：

本实用新型采用石墨烯材质，石墨烯是由碳原子构成的二维片状分子，虽然其厚度仅有一层原子厚，但它仍具有极高的面电子迁移率，其力学、热学、电学以及光学等特性也十分优异，石墨烯拥有良好的电学性质和极大的比表面积，以石墨烯来制备的石墨烯电容器具有大功率、快速充放电和循环稳定性强等特点。

本实用新型是以SiC衬底为基础的石墨烯(C)-SiC-石墨烯(C)平行板电容器结构，两侧的石墨烯层为导电层，中间单晶SiC层为绝缘层，SiC的禁带宽度为Si的2-3倍，热导率约为Si的4.4倍，临界击穿电场约为Si的8倍，电子的饱和漂移速度为Si的2倍。SiC是优选半导体器材料，具有高频、大功率、耐高温、抗辐照的件的优点，并且石墨烯由其脱硅处理得到，二者结合牢固。多层石墨烯结构可重复生长SiC，通过脱氢出来SiC，获得石墨烯电极。

附图说明

图1是本实用新型石墨烯电容器中含一个电容器单元的电容器结构示意图；

图2是本实用新型石墨烯电容器中电容器单元并联形成的电容器结构示意图；

图3是本实用新型石墨烯电容器中又一种电容器单元并联形成的电容器结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本实用新型的技术方案进行进一步阐述，应当理解，具体实施例是为了方便本领域技术人员对本实用新型方案的理解，不作为本实用新型保护范围的限定。

通过薄膜生长技术制备石墨烯-碳化硅-石墨烯电容器，其电极层为单层或多层的石墨烯，绝缘层为纳米范围的碳化硅，能够有效的压缩电容器的厚度，由于两极间距减小，有效的提高了电容器的容量。另外，通过薄膜生长技术，将数层此结构并联，可获得体材料的平行板电容器，在一个较小的体积内，可制备拥有超级巨大电容量的超级电容器，对于电力储存、大电流输出等反面都将有广泛的应用。

实施例1

一种石墨烯电容器的制备方法，包括如下步骤：

将碳化硅材料作为支撑层，将支撑层表面的碳化硅进行脱硅处理得到第一石墨烯层，再在第一石墨烯层上生长碳化硅层作为绝缘介质层，然后再将绝缘介质层的表面进行脱硅处理得到第二石墨烯层，在第二石墨烯层上再生长碳化硅支撑层。

图1为含有一个电容器单元的电容器结构示意图，上述方法制备得到如图1所示的石墨烯电容器，如图1所示，第一石墨烯层2和第二石墨烯层4作为电极层与其中间的碳化硅绝缘介质层3形成了一个电容器单元，电容器单元与碳化硅支撑层1共同组成了一个电容器。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，本实施例中的绝缘介质层为压电材料，这里对压电材料的具体种类不做限定，优选为钛酸盐。

与实施例1的不同之处还在于，本实施例在压电材料表面设置金电极作为电极层。

这里要说明的是：由于非纯净的SiC为不透明的半导体材料，可通过引入高介电常数材料，提高电容器中间层的绝缘性。钛酸钡等压电材料具有很高的介电常数，如钛酸钡介电常数～1000-10000，利用钛酸钡此性质，在SiC衬底的石墨烯表面，生长一层钙钛矿结构的钛酸钡，再在钛酸钡上蒸镀一层导电金属，可得到大容量的电容器。

实施例3

与实施例1的不同之处在于，在实施例1的基础上，在石墨烯的表面，继续生长碳化硅层作为下一个电容器单元的绝缘介质层，然后再在其上脱硅处理得到石墨烯层，如此往复，再以相同的方式继续制备电容器单元，形成结构为支撑层SiC，然后是石墨烯-SiC-石墨烯-SiC-石墨烯……即[-C-SiC-]为单元的电容器。

将得到的多个电容器单元的正负极分别连接，形成具有多个电容器单元并联的超级电容器。

SiC即做绝缘层，同时也是下一层石墨烯生长的基础。

这里要说明的是，电容器中包含的并联的电容器单元的数量可以是1-500，在此对电容器单元的数量不做限定，可以根据需要选择电容器单元的数量。

图2为本实施例方法制备的石墨烯电容器的结构示意图，如图2所示，第一石墨烯层2和第二石墨烯层4作为电极层与其中间的碳化硅绝缘介质层3形成了一个电容器单元；第二石墨烯层4上又生长有碳化硅绝缘介质层3，碳化硅绝缘层3表面进行脱硅处理得到第一石墨烯层2，如此往复，形成多个电容器单元，第一石墨烯层2作为正电极(或负电极)通过金电极6并联在一起，第二石墨烯层4作为负电极(或正电极)由金电极5并联在一起，这样多个电容器单元并联在一起形成了并联电容器，由并联电容器与碳化硅支撑层1共同组成了一个电容器。

这里要说明的是金电极5和6的连接方式不做具体限定，作为优选，可以选择蒸镀和逐级遮挡的方式实现电容器单元的并联。

实施例4

与实施例3的不同之处在于，石墨烯层上生长碳化硅层之前先生长一层氧化锌层，然后在氧化锌层上生长碳化硅层，碳化硅层经脱硅处理得到石墨烯层。

图3为本实施例方法制备的石墨烯电容器的结构示意图，如图3所示，与实施例3的电容器的不同之处是在碳化硅绝缘介质层2与其前一层的石墨烯层2或4之间存在一层氧化锌层7。

这里对石墨烯每个电极层的石墨烯的层数是单层还是多层不做限定，优选单层石墨烯。

这里要说明的是：因为ZnO最易生长方向为c轴方向，因此，在SiC衬底的石墨烯表面，很容易的生长高质量的c轴取向的ZnO薄膜，并且，纯净的ZnO薄膜的电绝缘性好于半导体SiC，因此，首先生长50nm的ZnO薄膜，然后在ZnO薄膜表面在沉积SiC薄膜，ZnO与SiC同为六角纤锌矿结构，并且晶格常数接近(ZnO的a轴晶格尺度为3.25A)，因此在ZnO表面可获得晶型较好的SiC，再在SiC表面通过脱硅获得石墨烯，形成C-ZnO-SiC-C电容单元，重复在此单元，可获得超级电容器。

第一石墨烯与第二石墨烯间隔着ZnO和SiC。其中，ZnO在第一石墨烯的上面，SiC在ZnO的上面，在SiC的表面经过脱硅处理，才能第二代第二石墨烯。

在这个结构中，C代表石墨烯层，所有的层都是，C-ZnO-SiC-C-ZnO-SiC-C-ZnO-SiC-……结构的循环，即[-C-ZnO-SiC-]为单元的电容器。

本实用新型的未尽之处，本领域技术人员可以根据需要进行选择，比如电容器单元的个数、压电材料的种类等等。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。