改进电容器的新技术

一种新的用于在聚合物基质中产生钛酸钡(BATIO3)纳米颗粒的薄膜的技术可以允许制造能够存储两倍的能量作为现有装置的改进的电容器。

改进的电容器可用于消费者设备,例如蜂窝电话–在防御应用中,需要高能量存储和快速排放。

由于其高介电性能,钛酸钡在电容器中使用较长的感兴趣,但直到最近的材料科学家无法在聚合物基质内产生良好的分散材料。通过使用量身定制的有机膦酸包封并改变纳米粒子的表面,佐治亚理工学院的研究人员'S用于有机光子和电子器件的中心能够克服颗粒分散问题以产生均匀的纳米复合材料。

"我们的团队开发了纳米复合材料,具有高介电常数和高介电击穿强度的显着组合," said Joseph W. Perry,格鲁吉亚化学和生物化学学院的教授and the Center for Organic Photonics and Electronics. "对于电容器和相关的应用,您可以存储在材料中的能量数量与这两个因素有关。"

新的纳米复合材料已经在高达一个Megahertz的频率下测试,并且佩里可以在更高频率下表示操作。虽然新材料可以在没有进一步改进的情况下具有商业应用,但它们最重要的贡献可能在展示新的封装技术–这可以具有在其他纳米复合材料中具有广泛的应用。

"这项工作打开了一扇门,以利用我们证明的涂层技术有效利用纳米复合材料中这种类型的颗粒," explained Perry. "我们有很多方法可以设想,超越我们的进步've done already."

结果报告于2007年4月(Vol.19,第7期)的期刊先进材料。该研究得到了海军研究办公室和国家科学基金会的支持。 Georgia Tech已经提出了纳米粒子封装技术的专利申请。

由于它们能够存储和快速放电电能,电容器用于各种消费产品,例如计算机和蜂窝电话。并且由于对电力汽车和新设备对电能的需求日益增加,因此它们也具有重要的军事应用。

具有较高储能容量的薄膜电容器材料的键是能够在整个聚合物基质中尽可能高的密度均匀地分散纳米颗粒。然而,诸如钛酸钡的纳米颗粒倾向于形成聚集体,从而降低纳米复合物以抵抗电击的能力。其他研究小组试图用各种表面涂层解决分散问题,但这些涂层在加工过程中倾向于脱落–或创建材料兼容性问题。

格鲁吉亚科技研究团队决定通过使用有机膦酸包封颗粒来解决该问题。由Seth Marder的研究组设计和合成的定制有机膦酸配体–格鲁吉亚化学和生物化学学院的教授–为颗粒提供鲁棒涂层,其尺寸为30至120纳米的直径。

"膦酸与钛酸钡和其他相关金属氧化物粘合得很好。" Perry said. "选择该材料和配体的选择对于允许我们服用定制的膦酸,将它们放入钛酸钡上,然后用正确的溶液加工将它们掺入聚合物系统中。这使我们可以提供与聚合物主机的良好兼容性–因此,非常良好的分散,如平均骨料大小的三到四倍减小所示。"

虽然钛酸钡的大晶体也可以提供高介电常数,但它们通常不提供足够的抗损坏–它们的形成和增长可以复杂,需要高温。复合材料提供必要的电气性能,以及基于溶液的处理技术的优点。

"使用聚合物纳米复合方法的大益处之一是,您将在矩阵中提供所需性质的材料的颗粒结合在具有易于处理的益处," Perry explained.

虽然新材料可能已经提供足够的优势来证明商业化,但Perry认为有额外的机会促进其表现。研究团队还希望扩大生产以制造更大的样品–现在乘坐三英寸薄膜生产–适用于可能希望开发其他应用程序的其他研究人员。

佩里和芒德正在与乔治亚州科技学院教授的Bernard Kippelen合作,在有机薄膜晶体管中使用这些新的纳米复合材料,其中基于溶液的技术用于制造廉价的电子元件。

"除电容器之外,还有许多领域,高介电材料很重要,例如场效应晶体管,显示器和其他电子设备," Perry added. "利用我们的材料,我们可以提供一种高介电层,可以纳入这些类型的应用中。"

http://gtresearchnews.gatech.edu

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