High miniaturisé

Instituts Hefei des sciences physiques, Académie chinoise des sciences

image : Figure 1. Illustration schématique des grilles 3D-CT synthétisées : 3D-CT, 3D-CNT@CT et 3D-RCT.Voir plus

Crédit : HAN Fangming

Une équipe de recherche dirigée par le professeur MENG Guowen de l'Institut de physique des solides de l'Institut Hefei des sciences physiques (HFIPS) de l'Académie chinoise des sciences (CAS), en coopération avec le professeur WEI Bingqing de l'Université du Delaware, Newark, États-Unis, a réussi à a développé des grilles de tubes de carbone (CT) structurellement intégrées et hautement orientées comme électrodes de condensateurs électriques à double couche (EDLC), pour améliorer considérablement les performances de réponse en fréquence et les capacités surfaciques et volumétriques à la fréquence correspondante. Il devrait être utilisé comme condensateur de filtrage de ligne de courant alternatif (CA) de petite taille et hautes performances dans les circuits électroniques, fournissant les matériaux et la technologie essentiels à la miniaturisation et à la portabilité des produits électroniques.

Les résultats ont été publiés dans Science le 26 août 2022.

La conversion du courant alternatif en courant continu (CC) est vitale pour alimenter l’électronique. Dans le processus, les condensateurs de filtrage jouent un rôle central en lissant l'ondulation de tension dans le signal CC redressé, garantissant ainsi la qualité et la fiabilité des équipements électriques et électroniques. Les condensateurs électrolytiques en aluminium (AEC) sont largement utilisés dans ce domaine. Pourtant, ils constituent toujours le composant électronique le plus volumineux en raison de leurs faibles capacités volumétriques, ce qui limite sérieusement le développement de produits électroniques miniaturisés et portables.

Les EDLC, généralement dotés de matériaux carbonés comme électrodes, sont considérés comme des candidats potentiels au filtrage de ligne CA pour remplacer les AEC en raison de leur capacité spécifique plus élevée, conformément à la tendance à la miniaturisation des dispositifs, mais limités par leur faible fréquence de fonctionnement (~ 1 Hz). Bien que la fréquence de fonctionnement puisse être améliorée en utilisant des nanomatériaux de carbone hautement orientés comme électrodes, la capacité spécifique est très limitée. Pendant ce temps, les contacts physiques entre des nanotubes de carbone ou des feuilles de graphène adjacents augmenteraient non seulement la résistance, ralentissant encore davantage la réponse en fréquence, mais rendraient également difficile l'augmentation des charges massiques des nanomatériaux de carbone et ainsi l'obtention d'une grande capacité. Il existe un besoin urgent de développer des matériaux nouvellement structurés pour augmenter la réponse en fréquence rapide tout en conservant une capacité spécifique élevée.

Depuis 2015, l’équipe de recherche travaille sur ce sujet. Après des efforts inlassables, un nouveau réseau de tomodensitomètres tridimensionnels (3D) hautement orientés et intégrés à la structure avec des tomodensitomètres interconnectés latéralement par des liaisons chimiques a été développé avec succès. La grille CT 3D avec des CT verticaux et latéraux véritablement interconnectés et structurellement intégrés (appelés 3D-CT) peut fournir une stabilité structurelle hautement orientée et élevée, une conductivité électrique supérieure et une structure poreuse ouverte efficace (Figure 1), qui devrait répondre aux exigences des matériaux d'électrode des EDLC de filtrage de ligne AC hautes performances de petite taille.

Afin d'obtenir cette structure unique, les chercheurs ont d'abord anodisé une feuille d'aluminium contenant une petite quantité d'impureté de Cu, pour obtenir le modèle d'oxyde d'aluminium anodique (AAO) poreux vertical hautement ordonné contenant des nanoparticules d'impureté de Cu sur les parois des pores. Par la suite, un modèle AAO poreux interconnecté 3D (3D-AAO, coin supérieur gauche de la figure 1) a été obtenu en gravant sélectivement les nanoparticules contenant du Cu sur les parois des pores avec de l'acide phosphorique.

La grille 3D-CT (coin supérieur droit de la figure 1) a été synthétisée par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à l'aide du modèle 3D-AAO. Pour augmenter la surface spécifique et améliorer encore la capacité surfacique et volumétrique spécifique, les CT 3D peuvent être modifiés, comme en témoigne le remplissage de nanotubes de carbone (CNT) de diamètre beaucoup plus petit dans les CT verticaux et latéraux (appelés 3D). -CNT@CT, coin inférieur gauche sur la figure 1) via la méthode CVD assistée par catalyseur Ni, ou traité en surface avec KMnO4 (3D-RCT, c'est-à-dire 3D-CT avec une surface rugueuse, coin inférieur droit sur la figure 1 ).