Квантовий конденсатор

Реферат: Квантовий конденсатор належить до конденсаторобудування і може бути використаний в різноманітних областях наноелектроніки як функціональні блоки радіочастотних конденсаторів і оптично керованих ліній затримки інкорпорованих в архітектуру 3D-наноструктур, сформованих за висхідним принципом. Квантовий конденсатор містить напівпровідникову шарувату кристалічну структуру GaSe, інтеркаляційно розширену вздовж кристалографічної осі С, з двома струмовиводами, де в розширених областях дії сил Ван-дер-Ваальса сформовані нанопрошарки іншорідної фази. Як нанопрошарки іншорідної фази використаний органічний напівпровідник N,N'-диметил-3,4,9,10-перилентетракарбоксил діімід. Струмовиводи нанесені на дві протилежні грані, які перпендикулярні до кристалографічної осі С. Технічним результатом є збільшення густини ємності та одночасне зменшення тангенса кута електричних втрат і при цьому забезпечено оптичне керування цими параметрами. UA 101438 C2 (12) UA 101438 C2 UA 101438 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до конденсаторобудування і може бути використаний в різноманітних областях наноелектроніки як функціональні блоки радіочастотних конденсаторів і оптично керованих ліній затримки інкорпорованих в архітектуру 3D-наноструктур, сформованих за висхідним принципом. Останнім часом особливої актуальності набуває можливість застосування його як квантового накопичувача для не електрохімічного надвисокоємного накопичення енергії на молекулярному рівні. Відомий конденсатор [Пат. 5771148 США, МКИ H01G 7/00. Intercalation-based voltage variable capacitor/ James Lynn Davis (USA); Motorola Inc. - № 560455; Заявлено 17.11.95; Опубл. 23.06.98; НКИ 361/281. - 4 с.], що містить два зарядонакопичувальні матеріали, розділені діелектричним матеріалом. Електрод, що є резервуаром іонів літію (наприклад у вигляді розчину LiСlO4 в пропіленкарбонаті), забезпечує їх постачання для електроінтеркаляції в діелектричний матеріал, що і є базовим механізмом псевдоємнісного зарядонакопичення. В цьому герметизованому пристрої два вольтажні електроди забезпечують керування величиною ємності, яку сканують за допомогою двох інших, перпендикулярно розташованих електродів. Незважаючи на те, що в такому конденсаторі використовується велика внутрікристалічна активна поверхня (за рахунок інтеркаляції іонами), однак застосування інтеркаляції для зарядонакопичення "а-priori" зумовлює його вузький частотний інтервал: від постійного струму до змінного струму, можливо - інфранизьких частот. Крім цього його будова є класичною передбачає два окремо розташованих електроди і наявність електролітного резервуара, що не тільки підвищує вимоги до герметизації, але і виключає можливість застосування його як атомно-молекулярного конденсаторного функціонального блока. Найближчим за технічною суттю є квантовий конденсатор, який містить напівпровідникову шарувату кристалічну структуру GaSe з двома струмовиводами, інтеркаляційно розширену, де в розширених областях дії сил Ван-дер-Ваальса сформовані нанопрошарки іншорідної фази [Grygorchak І.І., Seredyuk В.О., Tovstyuk К.D., Bakhmatyuk В.Р. High frequency capacitor nanostructure formation by intercalation // New Trends in Intercalation Compounds for Energy Storage. - Paris: Kluwer acad. publ. - 2002. - C. 543-545]. Цей квантовий конденсатор сформований на базі просоченої електролітом шаруватої кристалічної структури GaSe, інтеркаляційно розширеної вздовж кристалографічної осі С і в якій на міжатомних поверхнях, що вистеляють області внутрікристалічних Ван-дер-Ваальсових зв'язків сформований молекулярно-діелектричний прошарок. Другим струмовиводом служила система М||25 % водний розчин КОН. Густина ємності такої конденсаторної наноструктури 3 складала 76 мФ/см при значенні тангенса кута втрат 0,15 на частоті 100 Гц. Хоч квантовий конденсатор, на відміну від інших відомих аналогів, і забезпечує ємнісне накопичення заряду на міжатомних площинах в єдиному нанокристалі, проте формування другого струмовиводу за рідинно-електролітичним варіантом вимагає герметизації електроліту, що ускладнює його інкорпорацію в наночипи. Крім того, він має ще недостатньо високе значення питомої ємності і значні електричні втрати, особливо у високочастотній (для f>20 кГц) області, що зумовлено в основному інтеркальованою електролітною компонентою, а низька відтворюваність параметрів викликана в основному складністю підбору електроліту і матеріалу протиелектрода. В основу винаходу поставлено задачу створити квантовий конденсатор за рахунок відмови від використання електролітної підсистеми, шляхом формування на базі розширеної шаруватої ґратки N-бар'єрної структури з почерговими неорганічними і органічними напівпровідниковими нанопрошарками, що дало б можливість його нанокристалічного виконання, забезпечення умови скінченності часів резонансного тунелювання, накопичення зарядів у квантових ямах і, таким чином, підвищити питому ємність та знизити у високочастотній області тангенс кута електричних втрат, одночасно забезпечивши керування цими параметрами оптично. Поставлена задача вирішується тим, що у запропонованому квантовому конденсаторі, який містить напівпровідникову шарувату кристалічну структуру GaSe з двома струмовиводами, інтеркаляційно розширену, де в розширених областях дії сил Ван-дер-Ваальса сформовані нанопрошарки іншорідної фази, згідно з винаходом, як іншорідна фаза використаний органічний напівпровідник N,N'-диметил-3,4,9,10-перилентетракарбоксил діімід, а струмовиводи нанесені на дві протилежні грані, перпендикулярні до кристалографічної осі С Це (згідно з рентгеноструктурним аналізом і даними імпедансної спектроскопії) приводить до утворення N - бар'єрної структури з формуванням у ній квантових ям біля міжфазних меж. В результаті такого енергетичного рельєфу, за даними експерименту, спостерігається: - скінченність часів резонансного тунелювання; - захоплення носіїв струму у квантові ями, утримування їх впродовж часу співмірного з півперіодом синусоїдального сигналу та їх наступне вивільнення. 1 UA 101438 C2 5 10 15 20 25 30 35 Перший із вище перелічених ефектів забезпечує паралельне "ввімкнення" до міжфазних бар'єрів квантової ємності, а значить і росту питомої ємності, та одночасне зменшення тангенса кута електричних втрат, особливо у високочастотній області. Другий ефект спричиняється до формування низькочастотного індуктивного відгуку, а значить і забезпечення прояву затримки струму по відношенню до напруги. Оскільки синтезована структура є фоточутливою у видимій області спектра, то всі вище охарактеризовані параметри легко керуються оптично. На фігурі 1 зображено схематично квантовий конденсатор, де: 1 - напівпровідникові квантові листи розширеної кристалічної ґратки GaSe; 2 - нанопрошарки органічного напівпровідника; 3 струмовиводи. На фігурі 2 показані частотні залежності діелектричної проникності 4 та тангенса кута електричних втрат 5 вздовж кристалографічної осі С. Квантовий конденсатор містить напівпровідникову шарувату кристалічну структуру GaSe 1 з двома струмовиводами 3, інтеркаляційно розширену в напрямку, перпендикулярному до площини квантових листів, де в розширених областях дії сил Ван-дер-Ваальса сформовані нанопрошарки 2 іншорідної фази. Як іншорідна фаза використаний органічний напівпровідник N,N'-диметил-3,4,9,10-перилентетракарбоксил діімід, а струмовиводи 3 нанесені на дві протилежні грані, перпендикулярні до кристалографічної осі С. Виготовлення квантового конденсатора проводили так. На першій стадії у вихідну матрицю вздовж квантових листів 1 в області дії сил Ван-дер-Ваальса впроваджують нітрит натрію методом прямого експонування в його розплаві напівпровідникового монокристалу при температурі 300 °C впродовж 5÷10 хвилин. В результаті n-стадійного упорядкування відстань між відповідними шарами суттєво зростала. Наступним кроком була деінтеркаляція нітриту натрію з кристалу шляхом його екстрагування впродовж п'ятикратного 24-годинного циклу та висушування при температурі 110 °C і пониженому тиску. На третій стадії відбувалося формування нанопрошарків 2 шляхом інтеркалювання органічного напівпровідника N,N'диметил-3,4,9,10-перилентетракарбоксил діімід в розширену кристалічну ґратку методом прямого експонування в ньому отриманої деінтеркальованої матриці при кімнатній температурі впродовж 48 годин. Далі наносили два струмовиводи 3 на протилежні грані зразка, перпендикулярні до кристалографічної осі С. Виготовлений квантовий конденсатор підключали до вимірювального зміннострумового спектрометра, а значення його ємності і тангенса кута електричних втрат реєстрували в частотному інтервалі 100 кГц÷1 МГц. Отримане максимальне значення густини ємності ~ 1 3 Ф/см відповідало частоті 347,4 кГц. При цьому значення тангенса кута електричних втрат (tgδ) складало 0,014. В низькочастотній області був зафіксований індуктивний відгук, якому 5 2 відповідала ефективна індуктивність 1,5*10 Гн/см . При освітленні білим світлом потужністю 60 Вт ємність зменшується більш як в три рази, a tgδ зростає майже вдвічі. Таблиця Порівняльні характеристики запропонованого квантового конденсатора і прототипу Параметри 3 Питома ємність, мФ/см (для частоти 347,4 кГц) tgδ (для частоти 347,4 кГц) 2 Ефективна індуктивність, Гн/см Зміна ємності при освітленні білим світлом Зміна tgδ при освітленні білим світлом 40 45 Прототип Запропонований 43 984 0,29 не візуалізується 0,014 5 1,5*10 не зафіксована 318 не зафіксована 0,026 Для доказу отриманого передбачуваного технічного результату порівнюємо параметри запропонованого квантового конденсатора з прототипом (таблиця). Як видно з таблиці густину ємності підвищено більше як у 22 рази; а тангенс кута електричних втрат зменшено ~ у 20,7 разу. Надійність роботи була практично стовідсотковою, а при цьому забезпечено керування цими параметрами оптично. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Квантовий конденсатор, який містить напівпровідникову шарувату кристалічну структуру GaSe, інтеркаляційно розширену вздовж кристалографічної осі С, з двома струмовиводами, де в розширених областях дії сил Ван-дер-Ваальса сформовані нанопрошарки іншорідної фази, який 2 UA 101438 C2 відрізняється тим, що як нанопрошарки іншорідної фази використаний органічний напівпровідник N,N'-диметил-3,4,9,10-перилентетракарбоксил діімід, а струмовиводи нанесені на дві протилежні грані, які перпендикулярні до кристалографічної осі С. 3 UA 101438 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4