Alto miniaturizzato

Istituti di scienze fisiche Hefei, Accademia cinese delle scienze

immagine: Figura 1. Illustrazione schematica delle griglie 3D-CT sintetizzate: 3D-CT, 3D-CNT@CT e 3D-RCT.vedere di più

Credito: HAN Fangming

Un gruppo di ricerca guidato dal Prof. MENG Guowen dell'Istituto di fisica dello stato solido, Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS), in collaborazione con il Prof. WEI Bingqing dell'Università del Delaware, Newark, USA, ha avuto successo ha sviluppato griglie di tubi di carbonio (CT) strutturalmente integrate e altamente orientate come elettrodi di condensatori elettrici a doppio strato (EDLC), per migliorare significativamente le prestazioni di risposta in frequenza e le capacità areali e volumetriche alla frequenza corrispondente. Si prevede che sarà utilizzato come condensatore di filtraggio di linea di corrente alternata (CA) di piccole dimensioni e ad alte prestazioni nei circuiti elettronici, fornendo i materiali e la tecnologia essenziali per la miniaturizzazione e la portabilità dei prodotti elettronici.

I risultati sono stati pubblicati su Science il 26 agosto 2022.

La conversione della corrente alternata in corrente continua (CC) è vitale per l'alimentazione dei dispositivi elettronici. In questo processo, i condensatori di filtro svolgono un ruolo fondamentale nell'attenuare l'ondulazione di tensione nel segnale CC raddrizzato, garantendo la qualità e l'affidabilità delle apparecchiature elettriche ed elettroniche. I condensatori elettrolitici in alluminio (AEC) sono ampiamente utilizzati in questo campo. Tuttavia, rappresentano sempre il componente elettronico più grande a causa delle loro basse capacità volumetriche, che limitano seriamente lo sviluppo di prodotti elettronici miniaturizzati e portatili.

Gli EDLC, solitamente con materiali in carbonio come elettrodi, sono considerati potenziali candidati per il filtraggio della linea CA in sostituzione degli AEC a causa della loro capacità specifica più elevata, in linea con la tendenza alla miniaturizzazione dei dispositivi, ma limitati dalla loro bassa frequenza operativa (~1 Hz). Sebbene la frequenza operativa possa essere migliorata utilizzando nanomateriali di carbonio altamente orientati come elettrodi, la capacità specifica è molto limitata. Nel frattempo, i contatti fisici tra nanotubi di carbonio o fogli di grafene adiacenti non solo aumenterebbero la resistenza, rallentando ulteriormente la risposta in frequenza, ma renderebbero anche difficile aumentare i carichi di massa dei nanomateriali di carbonio e ottenere quindi una grande capacità. Esiste un urgente bisogno di sviluppare materiali di nuova struttura per aumentare la risposta in frequenza rapida mantenendo un'elevata capacità specifica.

Dal 2015 il gruppo di ricerca lavora su questo argomento. Dopo incessanti sforzi, è stato sviluppato con successo un nuovo array CT tridimensionale (3D) integrato nella struttura e altamente orientato con CT interconnessi lateralmente mediante legami chimici. La griglia TC 3D con TC verticali e laterali realmente interconnessi e strutturalmente integrati (indicati come 3D-CT) può fornire stabilità strutturale elevata e altamente orientata, conduttività elettrica superiore ed efficace struttura porosa aperta (Figura 1), che si prevede possa soddisfare i requisiti dei materiali degli elettrodi degli EDLC con filtro di linea CA ad alte prestazioni di piccole dimensioni.

Per ottenere questa struttura unica, i ricercatori hanno prima anodizzato un foglio di alluminio contenente una piccola quantità di impurità di Cu, per ottenere il modello di ossido di alluminio anodico (AAO) poroso verticale altamente ordinato contenente nanoparticelle di impurità di Cu sulle pareti dei pori. Successivamente, un modello AAO poroso interconnesso 3D (3D-AAO, angolo in alto a sinistra nella Figura 1) è stato ottenuto incidendo selettivamente le nanoparticelle contenenti Cu sulle pareti dei pori con acido fosforico.

La griglia 3D-CT (angolo in alto a destra nella Figura 1) è stata sintetizzata mediante un metodo di deposizione chimica in fase vapore (CVD) utilizzando il modello 3D-AAO. Per aumentare l'area superficiale specifica e migliorare ulteriormente la capacità areale e volumetrica specifica, i 3D-CT possono essere modificati, come esemplificato riempiendo con nanotubi di carbonio (CNT) di diametro molto più piccolo all'interno dei CT verticali e laterali (denotati come 3D -CNT@CT, angolo inferiore sinistro nella Figura 1) tramite il metodo CVD assistito da catalizzatore Ni, o trattato in superficie con KMnO4 (3D-RCT, ovvero 3D-CT con una superficie ruvida, angolo inferiore destro nella Figura 1 ).