【用户成果】基于高k值钙钛矿纳米片的全印刷多层陶瓷电容器

文摘   2024-10-16 10:02   上海  

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研究背景
电容器是电气和电子应用中不可或缺的基本储电设备。鉴于电容器是当代电子设备中最常见的元件之一,在更小的外形尺寸下实现高电容成为推动电子技术进步的关键。目前由 BaTiO3等陶瓷颗粒组成的商用陶瓷电容器在追求微型化的过程中往往受到尺寸效应的限制。为了解决这些问题,二维材料因其显著的分子厚度和出色的性能被认为是设备中的关键元件,其原子级的薄度有助于电子器件的微型化和优异的介电性能。然而,有关采用二维材料的喷墨打印多层陶瓷电容器的学术文献却非常稀少。造成这种稀缺的主要原因是,在喷墨打印二维材料多层异质结构的过程中层间扩散和渗透问题严重,导致界面混合和不相容,从而导致设备性能不稳定,甚至失效打印多层异质结构薄膜往往会留下更多溶剂和添加剂残留物,可能会污染界面并形成缺陷从而影响电荷转移和器件的整体性能。此外,打印多层薄膜更容易产生应力累积,导致打印薄膜在干燥和固化过程中膨胀和收缩,从而可能导致薄膜开裂或翘曲。克服这些挑战以实现高质量的全二维材料多层异质结仍然是一个亟待解决的问题。

研究成果
通过印刷技术,可以将化学剥离的透辉石纳米片集成到高性能微型电容器中。从理论上讲通过设计和构建多层结构,可以在不增加器件尺寸的情况下进一步提高电容值。然而,使用喷墨打印技术构建的多层异质结存在层间渗透等问题,进一步限制了这一潜力的发挥。在本文中,武汉理工大学李宝文教授团队通过优化墨水配方、喷墨打印参数、热处理条件以及使用高k钙钛矿纳米片、石墨烯纳米片和银进行合理的多层结构设计,成功地将一系列多层结构喷墨打印到不同的刚性和柔性基底上。通过微调电介质层数和改变电极/电介质界面,优化了电介质性能。多层陶瓷电容器显示出 346 ± 12 nfcm-2 的显著电容密度和193 ±18 的高介电常数。此外,这些器件还具有适中的绝缘性能、柔韧性、热稳定性和化学敏感性。这项研究揭示了多层结构设计在基于二维材料的高性能陶瓷电容器3D打印中的潜力。相关研究以“Fully Printed Multilayer Ceramic Capacitors Based on High-k Perovskite Nanosheets”为题发表在Small期刊上。

图文导读
Figure 1. Characterization of perovskite nanosheets and their inks.
 
Figure 2. Inkjet printing of 2D nanosheets.

Figure 3. Dielectric performance of inkjet-printed multilayer ceramic capacitors.
 
Figure 4. Dielectric layers (n) dependence of a) capacitance, b) capacitance density, c) relative permittivity, and d) tangent loss for the inkjet-printed Ag/(CNNO/Ag)n and Gr/(CNNO/Gr)n (n = 1–3) multilayer ceramic capacitors with the bottom electrode width ΔXB = 0.5 mm, the middle electrode width ΔXM = 0.5 mm and the top electrode width ΔXT = 0.5 mm, respectively. e) Comparison of capacitance densities of this work with previous works.
 
Figure 5. Electrical performance and stability of the inkjet-printed multilayer ceramic capacitors.

总结与展望
总之,作者通过优化墨水配方、喷墨打印参数、热处理条件和细致的多层结构设计,成功地将CNNO 钙钛矿纳米片墨水与 Gr和 Ag 电极墨水结合在一起进行精密喷墨打印,制造出了多层陶瓷电容器。喷墨打印的多层陶瓷电容器显示出电极和介电层的整齐平铺,界面上没有明显的相互扩散。重要的是,我们通过明智地选择电极材料和控制介电层的数量,实现了对介电特性的微调控制。这些器件表现出卓越的介电性能,并保持了值得称赞的绝缘特性尤其是 Gr/(CNNO/Gr)3 多层陶瓷电容器的性能达到了顶峰,其电容密度最高,为 346 ± 12 nF c-2,介电常数最高,为 193+18。此外,这些印刷多层陶瓷电容器还具有出色的高k特性,表现出柔韧性和适度的热稳定性。这项工作为在快速成型技术中使用高k钙钛矿石纳米片实现高性能多层陶瓷电容器开辟了前景。

文献链接
Fully Printed Multilayer Ceramic Capacitors Based on High-k Perovskite Nanosheets
https://doi.org/10.1002/smll.202404581

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