- 成功使用电介质纳米立方体单层膜实现多层电容器结构的薄型化
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开发了一种使用石墨烯作为内部电极代替传统金属电极的层状结构
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为多层陶瓷电容器的小型化做出贡献
近年来，随着智能手机、平板电脑等小型电子设备的性能迅速提高，这些设备内置的电子元件需要进一步小型化。 MLCC 是最重要的电子元件之一，目前每部智能手机大约使用 1,000 个 MLCC。 MLCC的内部具有介电层和电极层交替层叠的结构，为了缩小尺寸、提高性能，使各层变薄并增加层数是一个重要的开发挑战。
为了实现MLCC的小型化并提高其性能，工业界和学术界正在研究使用介电层和电极层材料的各种组合来减薄和堆叠MLCC。 目前使用BTO作为介电层的MLCC，其层状结构是通过将作为介质层的原料的BTO粉末和作为电极层的原料的金属粉末交替层叠并在1000度以上的高温下烘烤的工艺形成的。然而，电介质层和电极层的厚度已经不足1μm，接近原料粉末颗粒的尺寸（数百nm），并且电介质层的绝缘性能因变薄而劣化等问题。以目前的原料粉末和层压工艺，已接近进一步薄型化的极限。 因此，面临的挑战是开发一种新的分层工艺技术，将介电层和电极层的厚度降低至纳米级厚度，同时继续细化用作原材料的BTO粉末并保持MLCC的可靠性。
日本产业技术综合研究所（AIST）先进功能材料研究所研究员Hiroki Itasaka、高级研究员刘轩、高级研究员Kenichi Mimura、Koichi Hamamoto开发了介电材料钛酸钡（BTO）立方单晶（纳米立方）单层薄膜与多层石墨烯薄膜的交替层压工艺技术。
开发的叠层结构示意图
在本研究开发的技术中，超薄层状结构是由尺寸约为20纳米的BTO纳米立方体二维排列的单层膜和厚度为2至3纳米的多层石墨烯膜交替排列而成。该技术有望成为实现多层陶瓷电容器（MLCC）内部介电层和电极层交替层压结构的大幅薄化的基础技术。
在这项技术中，AIST专注于二维碳材料石墨烯的优异导电性，并发明了一种通过将其与单层BTO纳米立方体相结合，创建极薄电极层和介电层的交替层压结构的方法。通过交替重复将利用上述成膜技术生产的BTO纳米立方体单层膜转移到下电极基板上和将片状多层石墨烯转移到其上的过程，在其内部形成类似于堆叠结构的石墨烯层。可以制造BTO纳米立方体单层膜交替层压的MLCC/结构。 图1显示了使用扫描透射电子显微镜观察到的所制造的层状结构的横截面照片。
图1 本研究制备的石墨烯/BTO纳米立方单层交替叠层结构的截面观察照片
从图1可以看出，形成了厚度约为20 nm的均匀BTO纳米立方介电层，并在其顶部沉积了厚度为2-3 nm的多层石墨烯层。 通过重复这个过程，成功地创建了一种单层 BTO 纳米立方体和多层石墨烯交替堆叠的结构。 在本次制作的交替层叠结构中，与使用BTO作为介电层的MLCC内部的传统层叠结构相比，介电层和电极层的厚度分别减少到1/10和1/100以下（介质层和电极层的最小厚度均为数百纳米））。 减小介电层和电极层的厚度对于减小MLCC的尺寸和提高性能至关重要，但这会导致电容器的可靠性下降的问题。 到目前为止，我们没有使用传统的金属电极，而是使用厚度约为2至3纳米的多层石墨烯作为电极层，而且已发现它可以减少由于电极材料渗透到 BTO 颗粒之间的间隙而引起的漏电流。 加上这种漏电流减少效果，此次开发的技术有望成为MLCC内部多层结构薄型化技术的突破。
日本产业技术综合研究所（AIST）一直致力于开发作为MLCC介电层主要原料的微小BTO粉末的合成技术，以及由合成粉末形成薄膜的成膜技术。 到目前为止，已经成功利用水热法合成了纳米尺寸的BTO立方单晶（纳米立方体）（参考文献1），我们也成功地利用水热法合成了纳米尺寸的BTO立方单晶（纳米立方体）（参考文献1).我们开发了一种成膜技术，可制造厚度约为20 nm的单层薄膜，其中BTO纳米立方体以二维方式规则排列（参考文献2）。 BTO纳米立方体比一般的BTO纳米颗粒具有更高的结晶度，即使在低于1000℃的相对较低的加工温度下，也有望表现出优异的介电性能。 此外，为了使用传统的BTO粉末形成致密的薄膜，需要在高温下进行热处理，但是通过规则地排列均匀尺寸和形状的BTO纳米立方体，可以进行热处理。还可以无需热处理即可获得致密的薄膜。 这次，为了将通过这些技术获得的BTO纳米立方单层膜用作MLCC内部的介电层，AIST开发了一种将其与电极层交替堆叠的技术。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会（JSPS）科学研究补助金 JP20H02446（2020-2022）和新能源和产业技术综合开发组织（NEDO）合同项目 JPNP20005（2021-2023）的支持。
AIST表示将继续优化热处理等工艺，提高叠层结构电容器的性能，通过开发可大规模生产的工艺，实现下一代工艺技术，从而实现 MLCC 的大幅小型化和容量增加。
论文信息
出版物：Applied Physics Letters
论文标题：Ultra-thin barium titanate nanocrystal monolayer capacitor with graphene electrode
作者：Hiroki Itasaka*, Zheng Liu, Ken-ichi Mimura, and Koichi Hamamoto
*Corresponding author
DOI：10.1063/5.0156549
参考
1. F. Dang, K. Mimura, K. Kato, H. Imai, S. Wada, H. Haneda, and M. Kuwabara, Nanoscale, 4 1344 (2012).
2. H. Itasaka, K. Mimura, and K. Kato, Nanomaterials, 8, 739, (2018).