清华大学深圳国际研究生院杨诚团队在高性能贴片式滤波电容器研究方面取得新进展

便携式电子产品和物联网的迅猛发展，加快了集成电路元件不断朝着小型化、薄型化和集成化方向发展的步伐。然而，作为一种关键的无源元件，滤波电容器（FCs）长期以来一直被所占空间最大的铝电解电容器（AECs）和钽电容器所主导，这对系统的小型化造成了巨大的挑战。尽管微型超级电容器已被寄予厚望，以取代容量更大的商用AECs和钽电容器，但它们仍受制于其缓慢的频率响应（<1 Hz），因此无法平滑残留的交流纹波，无法满足新兴数字电路和便携式电子产品对高频滤波的应用需求。这就需要通过纳米技术开发具有更高性能的新型电极材料，以满足微型FCs对高电容的需求。纳米级过渡金属氮化物具有优异的导电性、化学稳定性高和本征高极性的优点，在电化学储能、能量转换和传感等领域有重要的应用潜力。然而，由于其超高的熔点，氮化物基纳米结构的可控制备仍然是一个复杂的挑战。因此，在纳米技术和电子元件技术领域，亟待以更可持续、可控和高效的方式开发新型的过渡金属氮化物纳米结构。

图1. 激光诱导瞬态自组织LITN的形成过程示意图及微观结构形貌

近日，清华大学深圳国际研究生院杨诚副教授团队提出了一种激光诱导瞬时自组织纳米结构的快速制造方法，并制备了一种直径在3-5nm左右的TiN_x纳米丝混沌分形渗流网络（LITN）。通过调控激光加工的热力学和动力学条件，以及优化等离子体场、温度场、冲击波效应等多物理场作用，研究团队可以控制TiNx纳米丝的形态、组成和晶体取向。图1展现了LITN在不同时间尺度下可能的形成机制。它主要可以分为两个阶段：激光加热和瞬时冷却。整个LITN的形成过程涉及光子吸收、晶格振动、相变、等离子体形成和反应、凝结和自组织。在激光诱导冲击波和光热效应的瞬态过程中，等离子体状态的[Ti]和[N]相互反应，形成TiN_x纳米团簇。随后，这些TiN_x纳米团簇在多物理场环境中凝聚，表现出典型的自组织过程。如图2所示，LITN表现出纳米丝和介观尺度的孔隙结构。

图2. LITN样品的材料特征和原子尺度特征

LITN基表面贴装滤波电容器（SMFCs）电极阵列的制备与半导体制造和封装工艺完全兼容，可以满足嵌入式元件的严格规范，表现出简单、经济、高效和可持续的特点。LITN电极的三维介孔和良好的组织结构可以提供丰富的电荷传输通道，并沿垂直和平面方向的阻碍最小。如图3所示，LITN基SMFCs在水系电解质溶液中实现了超长的循环寿命（2,000,000次），120 Hz时的面积能量密度为0.92 μWh cm^-2，体积能量密度为9.17 mWh cm^-3，这在水系电化学电容器中是创纪录的关键突破。

图3. 在Na2SO4电解质中LITN SMFCs的电化学性能

如图4所示，与商用AEC样品相比，LITN SMFC拥有几乎相同的快速响应能力。更关键的是，LITN SMFC还表现出优异的交流线滤波性能，在120 Hz时纹波电压约为0.03 V，与商用AECs相当。结合半导体制造工艺技术，用激光直写技术制备的LITN SMFCs有望取代体积巨大的AECs，这将有利于新兴的可穿戴电子设备、移动电源、电器以及物联网上的分布式能量采集和供电的小型化，极大地促进高性能数字电路和新兴电子技术的发展。该方法不仅为创造新的低维过渡金属氮化物铺平了道路，而且还为开发高度集成的先进微器件提供了启示。

图4. 水系LITN SMFC的制备及其滤波性能

相关研究成果近日以“激光诱导瞬时自组织的TiNx纳米丝渗流网络结构用于高性能表面贴装滤波电容器”（Laser-induced Transient Self-organization of TiNx Nano-filament Percolated Networks for High Performance Surface-mountable Filter Capacitors）为题发表在国际期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。

本文通讯作者为清华大学深圳国际研究生院材料研究院杨诚副教授，第一作者为清华大学深圳国际研究生院博士后王方成（现为中科院深圳先进院助理研究员），论文作者还包括清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授、博士后郭镇斌（现为深圳大学助理教授）、2020级材料科学与工程专业博士生朱浩杰等。该研究得到国家自然科学基金委、深圳市科创委、深圳盖姆石墨烯中心等项目支持。