宁静教授、冯欣博士， CEJ观点：分形电极结构提高超级电容器的电容以及频率响应速度

第一作者：王东

通讯作者：宁静*，冯欣*

单位：西安电子科技大学，西安电子科技大学广州研究院

微超级电容器（MSCs）因其快速的频率响应特性而备受关注，是交流线路滤波电路中用于微功率转换的重要滤波电容器。本研究展示了基于 Ti₃C₂T_x MXene 的 MSCs 的晶圆级制造工艺，该工艺具有结合分形微电极的高电位器件结构。实验和模拟结果表明，新结构通过增加吸收位点和强电场提高了离子传输速率，从而改善了能量存储和频率响应性能。因此，通过优化微电极的尺寸，分形 MSCs（FMSCs）在 1 V s^-1 的条件下实现了 615.3 μF cm^-2 的高比电容，其最高频率特性（f0）可达 kHz。值得注意的是，FMSC 在交流线路滤波电路中表现出卓越的滤波性能，成功地将 20 kHz 高频率的不同交流波形滤波为直流电。

近日，来自西安电子科技大学的宁静教授与西安电子科技大学广州研究院的冯欣博士合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“High-performance fractal microsupercapacitors based on Ti₃C₂T_x MXene for kHz alternating current line-filtering application”的观点文章。该观点文章分析了基于Ti₃C₂T_x mxene的FMSCs具有分形结构设计和优越的电场，提高了其电容和频率特性，该研究为MSC结构的设计提供了新的指导，以满足微纳米能源管理系统中交流-直流转换的需求。

图 1a 显示了基于 MXene 的 FMSC 的制备过程。在二氧化硅/硅基底上旋涂正性光刻胶，然后使用光刻板将其暴露在紫外线下，显影后形成光刻胶图案。然后在图案上沉积一层钛/金（60 nm/120 nm）作为收集器。随后，用 O2 等离子体处理金表面，使其具有亲水性，从而提高 MXene 与表面的附着力。使用喷枪将 MXene 材料均匀地喷涂在表面上。然后将整个基底浸入丙酮中进行超声剥离。使用 XRD 对 MXene 片材进行表征。Ti₃C₂T_x在 2θ = 7.7° 处显示出强烈的 (002) XRD 峰，证实了其晶体结构。此外，原子力显微镜图像显示单层厚度为 1.68 nm（图 1e-1f）。

如图 2a 和 2b 所示，FMSC 的电场线更集中于微电极间隙，其电势分布高于 IMSC。这表明离子在电解质中的运动增加了，而且由于电场更强，离子在这些位置周围的聚集也更大。图 2c 和 2d 中的特定电位分布进一步表明，当在电极之间施加 10 V 电压时，FMSCs 中的电场更强。在微电极的切割线上，FMSCs 的电位降至 7 V，而 IMSCs 则没有这一特征（图 S1）。图 2e-2f 中的模拟 CV 曲线和 Bode 图显示，与 IMSC 相比，FMSC 具有更大的积分区和更高的 f0，这表明它们具有高电容和快速频率响应的优异特性，这与前面讨论的特定器件结构有关。分形电极在有限的空间内增大了电极表面积，从而增加了电荷存储点的数量。此外，复杂的分形结构有利于形成更密集的电源线和更高的电场分布，这反过来又能引导更多电荷在电解质中积聚，最终显著提高电容器的性能。此外，还制作并测试了两种 MSC（图 2g-2i），具体结构参数见图 S2。在 50 V s^-1 的扫描速率下，FMSCs 的 CV 曲线显示出更大的电流密度和积分面积。此外，在 1 V s^-1 的扫描速率下，FMSCs 的比电容值更高，达到 619.37 μF cm^-2，而 IMSCs 则为 559.61 μF cm^-2。此外，FMSC 的 f0为 1.21 kHz，是 IMSC 的两倍。FMSCs 的等效串联电阻（ESR）为 10.19 Ω，明显低于 IMSCs 的等效串联电阻（25.7 Ω）_（图 S6）。这表明，与 IMSC 相比，FMSC 具有更出色的电荷转移能力和响应速度，能够更迅速地响应瞬态需求。这些实验结果与模拟结果一致，证实了 FMSC 上层结构设计的有效性。

们在高导电性 MXene 薄膜（约 2200 S cm^-1，）的基础上设计了 120、180 和 240 nm 三种不同厚度的电极，以评估它们的频率特性。具有这些电极厚度的 FMSC 分别称为 FMSC-T120、FMSC-T160 和 FMSC-T240。其中，FMSC-T240 的充放电电流密度和积分面积最大，比电容为 329.86 μF cm^-2，扫描速率为 50 V s^-1（图 3a）。图 3b-3d 显示了 FMSC 在扫描速率为 1 至 100 V s^-1 时的 CV 曲线。所有曲线都呈现出类似的准矩形形状，表明与涉及钛价变化的可逆氧化还原反应有关的伪电容行为[37]。图 3e 显示了 FMSC 在扫描速率为 1 至 100 V s^-1 时的等面积比电容。所有 FMSC 都显示出优异的速率性能，随着扫描速率的增加和厚度的减小，电容逐渐减小。值得注意的是，FMSC-T240 在 1 V s^-1 时实现了 500 μF cm^-2 的最高等比电容，在 100 V s^-1 时保持了 301.28 μF cm^-2 的电容，这表明它具有出色的性能稳定性。此外，在 2000 V s^-1 的高扫描速率下，FMSC 的 CV 曲线仍然表现出电容特性（图 2f），这证实了分形结构的特殊设计所产生的有效高功率特性。

我们考虑了三种宽度（100 μm、200 μm 和 400 μm），相应的器件分别称为 FMSC-W100、FMSC-W200 和 FMSC-W400。图 4a 展示了这些 FMSC 的 CV 曲线，其中 FMSC-W400 的集成面积最大，表明活性材料的数量较多。这一结果证实了宽度的增加会带来出色的容量。值得注意的是，在扫描速率为 1 V s^-1 时，FMSC-W400 的面积比电容最高，达到 615.3 μF cm^-2（图 4b）。此外，所有 FMSC 在 2000 V s^-1的高扫描速率下仍能保持其功能，这凸显了它们出色的高功率特性。图 4d-4e 显示，由于离子传输路径较长，f0 会随着宽度的增加而降低。FMSC-W100 的 f0 为 1.2 kHz，最低 τ0 为 0.75 ms。然而，所有器件的相位角在 120 Hz 时都保持在大约 -80° 的范围内，这表明器件具有良好的低频特性。在图 4f 中，不同 FMSC 的电容图显示出与图 3i 中观察到的相似趋势，表明通过调整 FMSC 的电极厚度和宽度可以达到所需的电容值。

以串联和并联的 FMSC 为基本单元，构建了 FMSC 集成组件。图 5a 显示，不同并联数的 CV 曲线具有相似性。此外，集成面积随着并联数量的增加而增大，反映出 FMSC 的性能高度均匀。正如预期的那样，电容随着 FMSC 数量的增加而增大（图 5b），这表明可以调整集成组件以满足各种电容要求。图 5c 显示，频率特性受 FMSC 连接的影响，导致性能下降。这是由于 FMSC 之间的连接线上存在电感电抗。此外，为了满足对高电压的需求，还串联了不同数量的 FMSC 组。图 5d-5e 说明了在保持良好频率特性的同时，工作电压窗口从 0.8 V 逐步增至 8 V。这些结果证明了 FMSC 在实现电压、电容和频率性能要求方面的可定制性、稳定性和集成性。

FMSC 的复杂结构和高电场分布提高了其捕捉和存储交流信号方向变化的效率。电解质离子在分形电极表面快速迁移，使电容器能够快速充放电，减少电压波动。通过在交流线路滤波电路中并联 10 个电池组作为滤波电容器，测试了 FMSC 的实际滤波性能（图 6）。可以看出，并联电池组成功地将交流输入信号（Vpeak = ±1 V）转换为 1 kHz 至 20 kHz 的直流输出信号，在高频率下表现出出色的负载能力。此外，应用不同的输入波形，并联电池组也能保持成功的直流转换。FMSC 阵列有效地将各种交流输入波形修正为理想的线性输出，正弦波、矩形波、三角波和脉冲波的直流输出电压分别为 0.63、0.68、0.57 和 0.58 V。结果表明，直流输出电压与输入交流波形有关，矩形波形的直流输出最高，因为其平均交流输入电压较大。图 S16 显示，在 20 kHz 正弦波下，FMSC 比 IMSC 具有更好的滤波性能，而且 FMSC 的输出电压比 IMSC 更平滑、更高（FMSC 为 0.63 V，而 IMSC 为 0.51 V）。因此，FMSC 具有出色的滤波能力，能在应用 kHz 频率时将各种输入波形转化为线性输出。

High-performance fractal microsupercapacitors based on Ti₃C₂T_x MXene for kHz alternating current line-filtering applications

宁静 教授简介：获得陕西省高校科协青年人才托举计划，陕西省青年科技新星等荣誉称号。获陕西省电子学会自然科学一等奖、陕西省高等学校科学技术一等奖、多次获会议优秀邀请报告奖。于硕博士期间赴美国德克萨斯大学奥斯汀分校（UT-Austin）开展合作研究。目前就职于西安电子科技大学微电子学院，中科院院士郝跃教授课题组，隶属于宽带隙半导体技术国家重点学科实验室。主要从事新型半导体材料、器件及电路的研制工作。先后主持及参与了国家自然科学基金项目、国家重大科技专项、国家重点研发计划和陕西省自然基金重点产业创新链等多个项目。目前在国际一流专业期刊及会议发表论文80余篇，包含6篇高水平封面论文；并担任《中国科学: 信息科学》（SCIENTIA SINICA Informationis）青年编委；研究成果已申请发明专利共25项、授权专利14项，国际专利5项。获得第三届“互联网+”大学生创业大赛项目获得陕西省金奖，陕西省创新创业大赛三等奖，及“优秀创新创业导师”的荣誉称号。

冯欣 博士简介：工学博士，华山准聘副教授，2017年学士毕业于西安电子科技大学集成电路设计与集成系统专业并保研至微电子学与固体电子学专业，2021年博士毕业于西安电子科技大学，师从著名微电子学专家、中科院院士郝跃教授，属于郝跃教授宽禁带半导体团队成员。研究方向为新型宽禁带半导体材料器件及其集成电路，研究平台为广州第三代半导体创新中心（拥有完善的6寸GaN芯片生产线），已在国际知名期刊Nano Energy、eScience、Nano Research、Applied Physics Letters、Carbon、Journal of Energy Chemistry（封面文章报道）、Journal of Power Sources、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS等以第一作者/共同作者发表SCI论文二十多篇（其中一区论文＞10篇），授权专利两项（国际专利一项）；主持国家自然科学基金青年项目，广东省自然科学基金青年项目，广州市自然科学基金青年项目，中央高校基本科研基金专项，研究生创新基金重点项目（已结题），参与国家自然科学基金面上项目、广东省卓越青年团队项目和国防科技重点实验室基金项目；研究生期间获得西安电子科技大学博士生校长奖、博士研究生国家奖学金、国睿奖学金、中电科-西电协同创新奖学金、多项学术会议优秀海报奖和报告奖、研究生创芯大赛全国奖等。

王东，民革会员，教授，现任西安电子科技大学芜湖研究院副院长。2009年毕业于西安交通大学物理电子学专业，获工学博士学位，师从中科院院士侯洵教授。同年就职于西安电子科技大学微电子学院，师从中科院院士郝跃教授，隶属于宽带隙半导体技术国家重点学科实验室。主要从事宽禁带/超宽禁带半导体材料与器件以及新型信息材料与器件方面的研究工作。先后承担国家核高基重大专项二专项子课题、973、863、教育部博士点基金、陕西省重大基础研究计划，参与国家自然基金面上项目、青年项目、陕西省重点产业链等科研项目，研究经费超过800万元；在Advanced Opitical Materials、Journal of Power Source、Nano Energy、Nano Research、Carbon等国际知名期刊发表论文30篇，并担任Nano Research、SST、APL等期刊审稿人；申请获批国家发明专利30余项，产业转化2项。兼任安徽省半导体行业协会副理事长。

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