[发明专利]基于掺杂有导电纳米填充物的介电聚合物的分数阶电容器

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请主张于2013年3月14日提交的美国临时专利申请第61/783,373号的权益。所提及申请的内容通过引用并入本申请中。

背景技术

A.发明领域

本公开一般性地涉及具有对电容器特性(包括复阻抗相位角)的改良控制的分数阶电容器。电容器具有介电纳米复合层，该介电纳米复合层含有允许对电容器特性改良控制的填充材料。

B.相关技术说明

过去，在工程中并未研发分数阶微积分，这是由于其较为复杂以及其并不具有完全可接受的几何或物理实现的事实。例如，电组件通常限于α值分别为-1、0和1的理想电感器、电阻器和电容器的特定特性。在此背景下，α可被用于经由公式-απ/2来确定器件的电流与其电压之间的相位差。在转变至度(即90、0和-90)时，这些值代表复阻抗相位角。

然而，由于当在实际应用中实施时电组件并不具有确切整数值的α，故具有有意将α值控制在标准组件的特性之间某处的能力可用于各种应用中，所述应用包括执行自动控制、图案识别、系统表征、信号处理和应用与电化学、黏弹性和甚至生物及神经系统领域相关的滤波器和振荡器。

有意设计具有范围0<α<1内的特定α值的电组件的先前尝试通常得到极庞大设计，这些设计在许多情形下在实际应用或电路中不可用或并不实际。例如，就基于液体电极(LEB)的类型分数电容器而言，将铜电极浸没于PMMA-氯仿溶液中，相位角根据电极的浸没深度而变化。然而，显而易见，此方法不允许容易地与印刷电路板和/或电子电路集成。另外，封装这样的装备会得到极庞大装置。

其他尝试包括分形类型(FT)分数电容器设计。这些设计通常在晶圆产生上并依赖于传输线理论。这些类型的电容器的基本操作原理涉及产生分形几何结构(例如短截线或传输线)，这些分形几何结构继而能够产生基于几何形状和技术参数的特定阻抗。FT使用一系列产生于电路上的金属迹线来产生阻抗而不是产生电容器。与集中式组件设计相反，这通常称为分布式组件设计。另外，在使用FT分数电容器时，能够获得的α的值仅在0.46到0.5。另外，考虑到微波电路的性质，恒定相特性发生于极高频范围(1MHz到10GHz)处，且相位角变化约为5°。

其他方式包括通过数字近似分数阶问题并计算近似解来模拟。数字近似必然受限于带宽、计算机资源的高度消耗，并且能够因有限精度运算而承受数值不稳定性。这些限制能够使得数字技术不实际或不能解决许多问题，例如控制涉及强反向力的快速过程或“僵硬”过程。

发明内容

本发明者已发现，能够使用二维纳米材料(也阐述为填充材料)的重量百分比来控制电容器的复阻抗角。具体而言，能够通过基于填充材料在聚合物基质中的组合选择该填充材料(例如石墨烯)的某一重量百分比来形成电容器的介电层。重量百分比能够被用于选择α在0<α<1的范围内的任一非整数值，这直接改变如上文所述的电容器的复阻抗相位角。

使用石墨烯作为二维纳米材料的独特方面之一涉及在介电层内形成微电容器。具体而言，通过在聚合物基质中加载石墨烯片材以使得形成分散的微电容器来控制分数电容。这极其类似于用于模拟的RC梯状网络并且允许调整α的值而无需复杂且庞大的电路设计。石墨烯亦具有促进电子以超高速度自由流动的独特性质。

另外，本发明的分数阶电容器的制造可扩展并且有成本效益，从而允许有效的制造和商业化。

根据本公开的一方面，分数阶电容器包括厚度为t的介电纳米复合层，并且包括第一侧和与第一侧相对的第二侧。分数阶电容器还包括耦合至介电纳米复合层的第一侧的第一电极层和耦合至介电纳米复合层的第二侧的第二电极层。分数阶电容器亦包括复阻抗相位角，其至少取决于介电纳米复合层中的填充材料的材料重量百分比。

根据本公开的另一方面，分数阶电容器的介电纳米复合层包括基质材料和导电填充材料，其中基质材料是聚合物，导电填充材料是石墨烯。石墨烯可部分地氧化或完全未氧化。此外，基于介电纳米复合层的总重量，石墨烯的材料重量百分比为约0.1％到15％。

根据本公开的又一方面，分数阶电容器的第一电极层和第二电极层包括导电材料。第一电极层包括铂，第二电极层包括铝。第一电极层和第二电极层可替代地包括PEDOT:PSS。

根据本公开的另一方面，分数阶电容器包括0°到-90°的复阻抗相位角，或包括相对于频率近似恒定的损耗角正切，或对于10kHz到2MHz的频率表现出分数特性。