新疆大学研究生(新疆大学研究生院)

新疆大学研究生，新疆大学研究生院

导语

便携式电子产品和物联网（IoTs）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较大的铝电解电容器（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。尽管碳基和赝电容型的超级电容器被寄予厚望，但它们频率响应较慢（<1 Hz），滤波能力不足。过渡金属氮化物纳米材料具有优异的导电性、化学稳定性和高极性，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，特别是FC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电极。

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（图片来源：Adv. Mater.）

前沿科研成果

新型自组织结构氮化钛高频贴片电解质电容器

近日，清华大学深圳国际研究生院长聘副教授杨诚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3-5 nm左右的TiNX纳米丝混沌分形渗流网络（LITN）。利用激光瞬态加工过程中的等离子体场、温度场、冲击波效应等多物理场作用，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。整个LITN的形成过程具体涉及光子吸收、晶格振动、相变、等离子体形成和反应、凝结和自组织，最终形成TiNX纳米团簇。如图2所示。

图2. LITN样品的材料特征和原子尺度特征（图片来源：Adv. Mater.）

如图3所示，LITN基SMFCs在水系电解质溶液中实现了创纪录的性能，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。

图3. 在Na 2 SO 4 电解质中LITN SMFCs的电化学性能（图片来源： Adv. Mater. ）

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。其交流线滤波性能优异，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元器件小型化，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（图片来源：Adv. Mater.）

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）为题发表在国际权威期刊《先进材料》（Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.202210038）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长聘副教授杨诚，第一作者为博士后王方成（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）、清华大学深圳国际研究生院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。

杨诚教授简介

杨诚博士，清华大学长聘副教授，2002年毕业于南京大学应用化学专业，2007年于香港科技大学化学系获博士学位（导师：徐兵教授），其后在香港科技大学化学系、机械工程学系从事博士后研究（导师：袁铭辉教授），2011年在美国佐治亚理工学院材料科学与工程学院担任Visiting Research Faculty（导师：汪正平院士）。2011年9月起在清华大学深圳研究生院担任副研究员、博士生导师，2022年7月起在清华大学深圳国际研究生院材料研究院担任长聘副教授。杨诚老师长期从事面向电化学能源以及传感、封装方面应用的关键材料和工艺的研究工作。着重研究微纳结构的形态演变规律和控制方法，发展了多物理场作用影响多形体生长的理论体系。曾获日内瓦国际发明奖（金奖）、中国百篇最具影响国际学术论文，中国发明创新奖（一等奖）、科技部某高端专家引进计划、科技部某青年人才引进计划、广东省材料研究学会青年科技奖、广东省杰出青年科学基金、清华大学“学术新人奖”等荣誉，承担国家基金委国际（地区）合作重点项目、面上项目、广东省重大科技专项等项目，并有多项成果实现转化并产生显著经济效益。

课题组诚招有理想和抱负的博士后，有意向者请联系杨诚老师。

△课题组网站链接

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