基于化学气相沉积石墨烯的平面片上微型超级电容器研究

发布时间：2020-05-04 12:19

【摘要】：随着经济和科技的发展,人们对电子设备的要求越来越高,多功能化、小型化成为储能装置的发展趋势。平面微型超级电容器的储能能力强,瞬时功率大,且可作为功率源与微/纳米级电子器件集成,因此成为研究热点。而石墨烯具有结构薄、导电性高、比表面积高、比电容高等优点,所以在微型超级电容器电极材料这个领域,石墨烯有着广阔的应用前景。本文采用化学气相沉积法制备出石墨烯薄膜,再通过化学反应将其转移至硅衬底表面。通过对比不同生长温度、不同生长时间下所制备石墨烯薄膜的质量和电学性能,可知在生长温度为1000℃,生长时间为30min时,所制备的石墨烯薄膜质量较好,方阻为1.836kΩ/sq。本文采用石墨烯薄膜作为平面片上电极材料,利用光刻、溅射等工艺制备出平面片上微型超级电容器。器件面积一定,电极宽度与电极间隙比值为3:1,通过对比不同电极宽度(150μm、210μm、240μm)的超级电容器循环伏安测试结果,发现随着电极宽度变窄,离子间传输距离缩短,平面片上微型超级电容器的比电容、能量密度和功率密度在不断增加,因此电极宽度更窄的平面片上微型超级电容器的性能更好。对电极宽度为150μm器件进行测试,当扫速为0.1Vs~(-1)时,面电容与能量密度分别为3.155μFcm~(-2)和3.505mWhcm~(-3);对其循环充放电2500次,电容器稳定性高达93.8%。进而对电极宽度为10μm量级的平面片上微型超级电容器进行探究,制备了电极宽度为30μm,电极间隙为10μm的平面片上微型超级电容器。对其进行测试,当扫速为0.01Vs~(-1)时,器件的面电容、体电容和能量密度分别为20.160μFcm~(-2)、161.278Fcm~(-3)和2.400mWhcm~(-3);当扫速为1Vs~(-1)时,功率密度为28.455Wcm~(-3),效率超过50%放电最短时间为0.681ms。
【图文】：

石墨,结构示意图

哈尔滨理工大学理学硕士学位论文用碳纤维作为电极基底，采用墨水纳米碳层当作活面电容为 11.9 至 19.5mFcm-2[19]。世界上已知的最薄、最轻、强度最高的材料，一经之最，引发了科学家研究的狂潮。石墨烯是由单的二维材料，厚度可薄至一个原子，其结构如图使得石墨烯拥有强度高、韧性好、可拉伸弯曲等优异表现，离子迁移率可以达到 15000cm2 V-1 s-1，论比容值高达 550Fg-1[20]。同时，对于石墨烯的加工片大面积的石墨烯上集成多个半导体器件和互联线集成做出巨大贡献，使得平面片上电极与电子器件。石墨烯的这些特性，使得其成为平面片上电极材法制备石墨烯的原理及研究现状的介绍。

原理图,氧化石墨,还原法,原理

图 1-2 氧化石墨还原法原理Fig. 1-2 Schematic of graphite oxidation reduction method3. 液相剥离法将石墨或石墨衍生物放置于有机溶剂中，采用高密度超声波、加热等方法得到单层或多层石墨烯溶液。2008 年，Coleman 等通过超声剥离获得石墨烯，同时也证明了在剥离液中会有高质量单层和几层石墨烯的存在。但存在单层石墨烯产量很低，，团聚情况严重等问题[26]。为解决上述问题，Knieke 等想到了高
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM53;TQ127.11;TB383.2

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