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微纳电子系王晓红课题组在可用于电源滤波电路的高频微型超级电容器研究方面取得新进展

3月20日,清华大学微纳电子系教授王晓红课题组在新一期《纳米能源》期刊上发表题为《具有电路集成性的高频微型超级电容器及其滤波/振荡电路应用》(“Circuit-integratable High-frequency Micro Supercapacitors with Filter/Oscillator Demonstrations”)的封面文章,首次研制出工作频率突破百赫兹、同时具有高电容密度和电路可集成性的高频微型超级电容器。

随着摩尔定律的发展,电路中基于MOS管的逻辑器件体积不断减小,但是以电容器为代表的无源元器件并未获得突破性发展。在电源滤波电路中广泛存在的电解电容是目前电路中所占空间最大的分立元器件,并已成为发展下一代小体积、多功能以及具备柔性的电子设备的主要阻碍之一。近年来,基于电化学双电层和赝电容效应的微型超级电容器作为微型储能元件得到快速发展和广泛应用。然而,受限于微电极中的离子扩散速度,此类超级电容器难以在超过一赫兹的频率下工作,故而无法作为滤波电容在电路中使用。本研究创新性地基于低维纳米材料中的快速氧化还原反应,设计了一种兼具高频率响应与高电容密度的电化学电容,并结合一步成型的电极图形化技术,成功使得微型超级电容器的工作频率突破百赫兹,不仅满足了低频滤波电路的频率需求,且面电容密度达到了目前商用钽电解电容的4倍。

研究显示,基于新型高频微型超级电容器的滤波电路和振荡电路相比于传统基于电解电容的电路,在工作性能以及柔性电子应用方面展现出明显的优势,且可以节约95%以上的体积。未来,此工作可进一步集成在集成电路芯片之中,有望取代目前占据电路中最大体积的电解电容器。

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高频微型超级电容器 (a)器件,(b)电极结构设计,(c)和(d)在电源滤波电路中的应用

王晓红为论文通讯作者,微纳电子系2015级博士生徐思行为论文第一作者。王晓红团队一直致力于可集成式微能源的研究,包括能量收集与转换、储存与电源管理等方面。近年来,相关工作相继发表于《美国化学学会·纳米》《纳米能源》《微系统与纳米工程》等高水平期刊。该研究成果得到国家自然科学基金和国家基础研究计划等项目的支持。

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