[发明专利]一种水平有序碳纳米管阵列微型超级电容器的制备方法

说明书

本发明公开了一种水平有序碳纳米管阵列微型超级电容器的制备方法，该器件具有交叉指状平面构型。具体工艺步骤如下：首先对具有SiO₂薄层的Si衬底进行切割、清洗和亲水性预处理；然后是利用真空蒸发自组装方法在衬底沉积水平有序的碳纳米管薄膜；再后是叉指型电极图案化处理，包括设计叉指型电极掩模版、光刻和沉积集流体、利用氧等离子体刻蚀，得到水平有序碳纳米管阵列薄膜微电极。最后是凝胶电解质的制备器件的封装，包括制备PVA基凝胶电解质，将电解质涂敷在电极上封装，即制成了片上集成水平有序碳纳米管阵列微型超级电容器。本发明可以实现器件结构可控、片上集成化的微型超级电容器制备。

技术领域

本发明涉及微纳加工技术的领域，尤其涉及一种片上集成水平有序碳纳米管阵列微型超级电容器的制备方法。

背景技术

随着现代工业的快速发展，微型便携式电子设备的技术发展增加了对微能量存储器件的需求，因此微型超级电容器便应运而生。与传统的具有夹层结构的超级电容器相比，微型超级电容器通常选择具有叉指电极的平面结构，在这种平面结构中，电极间的电解质离子可以方便快速地传输，以提供超高功率密度，这种平面内交叉结构可以有效保持传统结构的优点，并且保持其稳定性，具有数百万个工作周期。微型超级电容器最明显的优点在于平面构型的电极结构具有窄的间隙，从而取消了隔板的使用，另外通过进一步减小电极之间的距离，还可以降低离子迁移电阻，这有助于改善器件的频率响应特性和功率密度，因而其具有广阔的应用前景。

碳纳米管具有比表面积大、导电性好、化学稳定性好等独特的性能而广泛的应用于柔性储能器件。因此国内外研究者都对基于碳纳米管电极材料的超级电容器进行了大量的研究。例如，Kim等利用喷涂法制备了多壁碳纳米管的平面微型超级电容器，表现出良好的机械性能和循环性能，然而其所制备的碳纳米管为无序碳纳米管，因此这也限制了微型超级电容器的性能。Hu等人利用CVD法碳纳米管超级电容器，表现出良好的电化学性能，但CVD法生长条件较为苛刻，同时所制备的电极材料也不易于微型超级电容器的制备。Sun等人报道了一种基于垂直取向碳纳米管的平面微型超级电容器，它可以在不同的高扫描速率下良好运行，并且证明可以在同一基板上与其他平面内器件集成，然而，垂直取向的碳纳米膜在厚度上并不能很好的满足微型化的要求。

因此，本专利发明了一种简单、高效、环保可靠的方法来制备性能优良的片上集成水平有序碳纳米管阵列微型超级电容器的方法，该方法将具有很高的生产应用价值。

发明内容

本发明目的在于克服现存的不足，提供一种简单易行、高效、低污染的片上集成水平有序碳纳米管阵列微型超级电容器的制作方法。该方法制备的微型超级电容器具有体积小、物理化学性能稳定等优点，同时利用电极材料与器件构型相匹配的优势，极大地缩短了离子的传输距离，能显著提高超级电容器的充放电速率，进而产生高的能量和功率密度。

为实现上述目的，本发明提供了片上集成水平有序碳纳米管阵列微型超级电容器的制作方法。本发明的技术解决方案是：首先，采用真空阵法自组装方法在具有SiO₂薄层的Si衬底上沉积水平有序碳纳米管阵列薄膜，利用光刻技术在沉积有水平有序碳纳米管的衬底上利用掩膜版进行微电极图案化处理；利用氧等离子刻蚀机刻蚀电极间隙部分碳纳米管，防止极板间短路，制造出具有片上集成的微型超级电容器储能器件，其实现步骤如下：

(1)具有SiO₂薄层的Si衬底的切割、清洗和亲水性预处理：首先对衬底进行切割；然后将衬底分别置于丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗；最后将清洗干净的衬底放入等离子刻蚀机中进行亲水性处理。

(2)水平有序的碳纳米管薄膜的制备：首先，制备一定浓度的碳纳米管分散液；然后将衬底垂直插入制备好的分散液中，利用真空蒸发自组装方法在具有SiO₂薄层的Si衬底沉积水平有序的碳纳米管薄膜。