高い小型化

中国科学院合肥物理科学研究所

画像: 図 1. 合成された 3D-CT グリッドの概略図: 3D-CT、3D-CNT@CT、および 3D-RCT。もっと見る

クレジット: ハン・ファンミン

中国科学院（CAS）合肥物理科学研究所固体物理学研究所（HFIPS）のMENG Guowen教授率いる研究チームは、米国ニューアークにあるデラウェア大学のWEI Bingqing教授と協力し、成功したは、周波数応答性能と、対応する周波数における面積および体積静電容量を大幅に改善するために、電気二重層コンデンサー (EDLC) の電極として、構造的に統合された高度に配向性のあるカーボン チューブ (CT) グリッドを開発しました。 電子回路における高性能小型交流（AC）ラインフィルタリングコンデンサとしての使用が期待されており、電子製品の小型化と携帯性に必須の材料と技術を提供します。

この結果は、2022 年 8 月 26 日に Science 誌に掲載されました。

AC を直流 (DC) に変換することは、電子機器に電力を供給するために不可欠です。 その過程で、フィルタ コンデンサは整流された DC 信号の電圧リップルを平滑化し、電気および電子機器の品質と信頼性を確保する上で極めて重要な役割を果たします。 アルミニウム電解コンデンサ (AEC) は、この分野で広く使用されています。 それでも、それらは体積静電容量が低いため常に最大の電子部品であり、小型で携帯可能な電子製品の開発を大きく制限しています。

通常、電極として炭素材料を使用する EDLC は、デバイス小型化の傾向に合わせて比静電容量が高いため、AEC に代わる AC ラインフィルタリングの潜在的な候補と考えられていますが、動作周波数が低い (~1 Hz) ため制限されます。 高度に配向したカーボンナノ材料を電極として使用することで動作周波数を高めることができますが、比静電容量は非常に限られています。 一方、隣接するカーボンナノチューブやグラフェンシート間の物理的接触により、抵抗が増加して周波数応答がさらに遅くなるだけでなく、カーボンナノ材料の質量負荷を増加させて大きな静電容量を得ることが困難になる。 高い比静電容量を維持しながら高速周波数応答を向上させるための新しい構造の材料を開発することが急務となっています。

2015 年以来、研究チームはこのテーマに取り組んできました。 たゆまぬ努力の結果、化学結合によって横方向に相互接続された CT を備えた、新しい 3 次元 (3D) 構造が統合された高度に配向された CT アレイの開発に成功しました。 真に相互接続され、構造的に統合された垂直および水平 CT を備えた 3D CT グリッド (3D-CT と表記) は、高度に配向され、高い構造安定性、優れた導電性、および効果的な開放多孔質構造を提供できます (図 1)。小型高性能ACラインフィルタリングEDLCの電極材料の要件を満たします。

このユニークな構造を得るために、研究者らはまず、少量のCu不純物を含むアルミニウムシートを陽極酸化し、細孔壁にCu不純物ナノ粒子を含む高度に秩序化された垂直多孔質陽極酸化アルミニウム（AAO）テンプレートを取得しました。 続いて、細孔壁上の Cu 含有ナノ粒子をリン酸で選択的にエッチングすることにより、3D 相互接続多孔質 AAO テンプレート (3D-AAO、図 1 の左上隅) が得られました。

3D-CT (図 1 の右上隅) グリッドは、3D-AAO テンプレートを使用した化学蒸着 (CVD) 法によって合成されました。 比表面積を増やし、比表面積と体積静電容量をさらに高めるために、3D-CT を修正することができます。たとえば、垂直および水平 CT (3D と表記) 内にはるかに小さい直径のカーボン ナノチューブ (CNT) を充填します。 -CNT@CT、図 1 の左下隅）Ni 触媒支援 CVD 法による、または KMnO4 で表面処理したもの（3D-RCT、つまり表面が粗い 3D-CT、図 1 の右下隅） ）。