專利名稱：帶有面積增加的電極的全電子電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能量存儲器。背景能量存儲器對于各種大量電子設(shè)備，特別是對于移動設(shè)備和車輛而言是至關(guān)重要的部分。能量存儲器件是基于多種物理效應(yīng)的。例如，可利用電場在電容器中存儲能量，可利用化學(xué)反應(yīng)(包括離子運動)在電池中存儲能量。然而，電容器中的能量存儲可能受到器件幾何形狀的限制(如，2-D電容器具有有限面積)，且電池可能由于電化學(xué)反應(yīng)中固有的離子運動而具有緩慢的響應(yīng)時間。電池供電的設(shè)備(諸如氣動或電動車輛)經(jīng)常在性能方面受限于電池單位重量所存儲的較低能量。電池由于存儲在電池中的離子的較大的尺寸和重量而具有較低的存儲密度。電池中緩慢的離子轉(zhuǎn)移也導(dǎo)致緩慢的充電和放電性能。進一步，已有電池中對離子轉(zhuǎn)移的依賴導(dǎo)致電池較高的退化率。相應(yīng)地，必需改進現(xiàn)有技術(shù)以提供能量存儲器，其具有比電容器更高的能量密度、 比電池更快的充電/放電和/或比電池長得多的壽命。概述通過組合使用兩種物理效應(yīng)而提供改進的能量存儲器。第一種效應(yīng)可稱為全電子電池(AEB)效應(yīng)，且涉及使用嵌入電容器中兩個電極之間的介電結(jié)構(gòu)中的夾雜物。電子可隧穿電極間的介電以及夾雜物，藉此相比傳統(tǒng)電容器增加了電荷存儲密度。第二種效應(yīng)可稱為面積增加效應(yīng)，并涉及在電極的一個或兩個上使用微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)以提供相對電極的幾何面積而言增加的界面面積。面積增加有利于減少器件的自放電率。應(yīng)用包括電動車輛能量存儲器(EV或PHEV電池)、便攜式電子設(shè)備(膝上型電腦、 手機等)以及部隊裝備/武器(troop gear/weapon)，其中優(yōu)勢包括較高的能量密度存儲 (可能大于250Whr/kg)、較高功率密度存儲( 108W/kg)、快速的充電/放電率和因為沒有化學(xué)反應(yīng)而具有較低的隨時間的退化。進一步的優(yōu)勢包括沒有移動的原子/離子，沒有災(zāi)難性的、不安全的故障的風(fēng)險。本發(fā)明涉及具有甚高存儲密度的電容器和電子電池。由于本方法依靠存儲為電子而不是離子的電能，所以提供了具有較高存儲容量的小而輕的器件。進一步，電子轉(zhuǎn)移容許快速的充電與放電。相對于現(xiàn)有的能量存儲器件，本固態(tài)器件還可具有改進的壽命。在這個辦法中，不同于表面電荷(如，傳統(tǒng)的電容器)或離子(如，電池)，能量存儲是經(jīng)由大量電子完成的。附圖簡述

圖1示出了本發(fā)明的實施例。圖2示出本發(fā)明另一實施例。圖3示出了本發(fā)明的進一步實施例。圖4示出本發(fā)明的實施例的詳細(xì)視圖。圖5示出適于用在本發(fā)明實施例中的若干種夾雜物。
圖6a_b示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的不同尺寸的夾雜物的使用的示例。圖7a_e示出本發(fā)明的實施例的第一制造順序。圖示出本發(fā)明的實施例的第二制造順序的最后步驟。圖9示出本發(fā)明的實施例的第三制造順序的最后步驟。圖IOa示出涉及本發(fā)明原理的用于實驗的控制結(jié)構(gòu)。圖IOb示出用于圖IOa的控制結(jié)構(gòu)的I_V數(shù)據(jù)。圖Ila示出涉及本發(fā)明原理的測試結(jié)構(gòu)。圖llb-f示出來自圖Ila的測試結(jié)構(gòu)的實驗數(shù)據(jù)。詳細(xì)描述圖1示出了本發(fā)明的實施例。在此示例中，電極106包括微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的特征，其中一個被引用為108。這些電極特征提供了相比電極幾何面積的增大的界面面積(也就是，活動面積)。絕緣層104設(shè)置在電極106的頂部。夾雜物設(shè)置在絕緣層104的頂部。 夾雜物的其中一個被引用為110。夾雜物由絕緣層所圍繞，絕緣層中的一個被引用為112。 設(shè)置第二電極102，從而在電極之間形成介電結(jié)構(gòu)。在這個示例中，介電結(jié)構(gòu)包括層104和 112。夾雜物設(shè)置在這個介電結(jié)構(gòu)中。夾雜物能通過隧穿介電結(jié)構(gòu)將電子轉(zhuǎn)移到至少一個電極處或從至少一個電極處轉(zhuǎn)移出來。通過在夾雜物之間建立電荷分離可存儲能量，通過將這個電荷分離作為能量源可提供能量。圖2和3示出一些可選擇的幾何可能性。更具體地，圖2的示例類似圖1的示例， 除了圖1的叉指電極102由圖2的平板電極204所替代，圖2的介電結(jié)構(gòu)包括介電填充區(qū)域202。圖3的示例與圖2的示例類似，除了圖3的頂部電極302是納米結(jié)構(gòu)的，且在這個電極附近也有夾雜物。由介電層圍繞的數(shù)個夾雜物層可被設(shè)置在一個或兩個電極的頂部。如上所述，將器件的一個或兩個電極構(gòu)造為微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)這一點是為了提供電極面積增加?？捎妹娣e增加比值a =參數(shù)化純粹幾何效應(yīng)，其中Ai是界面面積 (也就是活動面積)，而Ag是幾何面積。電容將成比例地根據(jù)面積增加因子而增加C = ε ε ^Jd = ε ε。aAg/d(1)納米線電極全電子電池的一個可能的實施例在電極上使用導(dǎo)電的MSi納米線來增加界面面積，盡管可以理解任何導(dǎo)電材料都是可以的。MSi納米線生長過程是容易理解的，且可產(chǎn)生面積增加因子a 50-100。納米結(jié)構(gòu)的電極的優(yōu)勢在于它將降低成本，因為制造AEB的成本隨著所沉積的幾何面積而變化，但是使用納米結(jié)構(gòu)的電極，每個幾何面積上的能量密度將會增加因子a。優(yōu)選地，面積增加因子為1.5或更大。更優(yōu)選地，這個因子為5或更大，且更優(yōu)選地，這個因子為10或更大。使用納米結(jié)構(gòu)的電極的另一個優(yōu)勢是自放電率將下降隨著a指數(shù)級地變化的因子。本質(zhì)上AEB適于傳遞較高的功率密度，因為薄的隧穿層容許快速的充電/放電?；谕粋€理由，樸素設(shè)計的AEB將經(jīng)受不可思議的高的自放電率。假設(shè)沒有不利的副作用且自放電僅由通過電容器的分流電阻的放電引起的漏電流發(fā)生，給定材料的電阻率，這個漏電流可被計算。根據(jù)下式，結(jié)果是存儲在平行板電容器上的電荷的量隨時間而指數(shù)級地下降
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)能量存儲器件，包括第一電極；第二電極；設(shè)置在所述第一和第二電極之間的介電結(jié)構(gòu)；和設(shè)置在所述介電結(jié)構(gòu)中的一個或多個夾雜物，能夠通過隧穿所述介電結(jié)構(gòu)將電子轉(zhuǎn)移到至少一個所述電極上或從所述至少一個電極上轉(zhuǎn)移出來；其中所述第一和第二電極中的至少一個是微結(jié)構(gòu)的以提供比幾何面積更大的活動面積；其中所述器件能通過在所述夾雜物之間建立電荷分離而存儲能量，且其中所述器件能通過將所述電荷分離用作能量源而提供能量。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述第一和第二電極中的至少一個具有活動面積與幾何面積的比值為1. 5或更大。
3.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述器件是二端子器件，僅具有所述第一和第二電極作為外部端子。
4.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述第一和第二電極每一個具有1μ m2或更大的幾何面積。
5.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，通過在所述第一和第二電極之間施加5V或更大的電壓來在所述夾雜物之間建立所述電荷分離。
6.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，當(dāng)存在所述電荷分離時，所述器件的體積平均的電荷分離密度為1θΛΓ/ηπι3或更大。
7.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述夾雜物選自由以下構(gòu)成的組量子阱、 量子線、量子點和體材料。
8.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，根據(jù)尺寸來設(shè)置所述夾雜物以提供所述夾雜物的平滑的功函數(shù)梯度。
9.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述夾雜物中的第一夾雜物由所述夾雜物中的數(shù)個其他夾雜物所圍繞，所述數(shù)個其他夾雜物中的每一個具有比所述第一夾雜物小的尺寸。
10.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述夾雜物中的第一夾雜物由所述夾雜物中的數(shù)個其他夾雜物所圍繞，所述數(shù)個其他夾雜物中的每一個具有比所述第一夾雜物大的尺寸。
11.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，將所述夾雜物中的一些或全部組織為設(shè)置在所述介電結(jié)構(gòu)中或上的功能層。
12.如權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于，所述功能層包括具有不同功函數(shù)的不同材料，且其中所述功能層被設(shè)置為形成費米能級梯度。
13.如權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于，所述功能層包括電子親和性低于部分或全部的所述介電結(jié)構(gòu)的電子親和性的材料。
14.如權(quán)利要求11所述的器件，其特征在于，所述功能層的兩個或多個被設(shè)置在多層堆疊中，且通過一個或多個勢壘層彼此間隔。
15.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于，所述介電結(jié)構(gòu)包括兩個或更多的介電層。
全文摘要
通過組合使用兩種物理效應(yīng)而提供改進的能量存儲器。第一種效應(yīng)可稱為全電子電池(AEB)效應(yīng)，并涉及使用嵌入電容器中兩個電極之間的介電結(jié)構(gòu)中的夾雜物。電子可隧穿電極間的介電以及夾雜物，藉此相比傳統(tǒng)電容器增加了電荷存儲密度。第二種效應(yīng)可稱為面積增加效應(yīng)，并涉及在電極的一個或兩個上使用微結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)以提供相對電極的幾何面積而言增加的界面面積。面積增加有利于減少器件的自放電率。
文檔編號H01L21/02GK102439694SQ201080015815
公開日2012年5月2日 申請日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月1日
發(fā)明者F·B·普林茲, T·P·霍姆, 臼井高峰 申請人:利蘭·斯坦福青年大學(xué)托管委員會