[發(fā)明專利]一種超快激光單次制備多個(gè)微型電容集成化的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210035046.1
• 申請(qǐng)日: 2022-01-13
• 公開（公告）號(hào): CN114289879B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姜瀾;許晨陽(yáng);李欣;李晨;原永玖;李孝銳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K26/36
• 分類號(hào): B23K26/36;B23K26/064
• 代理公司: 北京正陽(yáng)理工知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發(fā)明涉及一種超快激光單次制備多個(gè)微型電容集成化的方法，屬于微納米制造領(lǐng)域。本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)加工效率低下，不靈活且精度與性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。本發(fā)明通過超快激光對(duì)二維材料進(jìn)行局部選區(qū)電子動(dòng)態(tài)調(diào)控，進(jìn)而產(chǎn)生去除和燒蝕，最終可以在激光光斑面積內(nèi)單次曝光實(shí)現(xiàn)多種超微型電容器串并聯(lián)集成化制備；此方法制備效率極高、過程簡(jiǎn)單，利用這種方法制備的微型超級(jí)電容器尺寸、形狀、性能、集成化形式皆靈活可調(diào)。這種單次曝光制備多個(gè)電容器集成化的方法將推動(dòng)微型能源器件乃至微電子行業(yè)的發(fā)展，顛覆傳統(tǒng)光刻加工方法，實(shí)現(xiàn)超高效率高性能器件集成化制造。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超快激光單次制備多個(gè)微型電容集成化的方法，屬于微納米制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，微型電子器件在航空航天、生物醫(yī)療、自動(dòng)化制造、柔性器件、便攜設(shè)備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，其日益增強(qiáng)的功能、處理速度和可靠性對(duì)儲(chǔ)能器件的微小型化展現(xiàn)出急迫的需求。微型電容器，又稱作微型超級(jí)電容，作為典型的儲(chǔ)能器件被廣泛研究和深入探討。

二維材料的誕生使得人類科學(xué)在各個(gè)方面獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。諸如石墨烯、金屬相硫化鉬等二維材料片層具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和豐富的活性邊緣，進(jìn)一步堆疊導(dǎo)致的比表面積提高使得其電容性能獲得大幅提高。因此以豐富二維材料種類為活性物質(zhì)的微型電容在不斷發(fā)展壯大。

制備微型能源器件是人類發(fā)展的重中之重，各種先進(jìn)制造技術(shù)都在不遺余力從各個(gè)方面解決微型能源器件的問題與挑戰(zhàn)。單個(gè)的微型超級(jí)電容器制備方法目前多種多樣：包括傳統(tǒng)激光劃刻、光刻加工、聚焦離子束刻蝕、電化學(xué)加工等各具優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)問題也十分明顯。光刻方法需要提前制備掩膜，工藝流程復(fù)雜容易引入外來雜質(zhì)；聚焦離子束刻蝕需要極高的真空環(huán)境，成本高昂，難以大規(guī)模制備生產(chǎn)；電化學(xué)沉積等方法效率低下，且次品率高。更重要的是，上述方法所制備的微型超級(jí)電容器在效率、性能、微型化和集成化程度上都相對(duì)低下，且難以兼容多個(gè)優(yōu)勢(shì)，在一定程度上限制了微型超級(jí)電容集成化制造的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種超快激光單次制備多個(gè)微型電容集成化的方法，該方法通過實(shí)現(xiàn)目標(biāo)光場(chǎng)的單像素設(shè)計(jì)對(duì)超快激光進(jìn)行空間整形，將高斯光斑整形為多個(gè)微型電容串并聯(lián)的光斑形狀，對(duì)具有電化學(xué)活性的二維材料進(jìn)行局部電子動(dòng)態(tài)調(diào)控，產(chǎn)生去除，從而實(shí)現(xiàn)一步法單次曝光制備多個(gè)微型超級(jí)電容串并聯(lián)的集成化。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

一種超快激光單次制備多個(gè)微型電容集成化的方法，包括如下步驟：

步驟一：設(shè)計(jì)多種形狀或單一形狀微型超級(jí)電容串并聯(lián)集成化的圖案，通過單像素方法處理圖像，使其圖案每一條線段的寬度為一個(gè)像素點(diǎn)，生成多個(gè)電容圖案陣列且相互連接形成串并聯(lián)集成系統(tǒng)的目標(biāo)光場(chǎng)；

步驟二：通過計(jì)算機(jī)傅里葉變換迭代算法生成與目標(biāo)光場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的相位圖；

步驟三：搭建超快激光空間整形加工系統(tǒng)；

步驟四：通過步驟二生成的對(duì)應(yīng)相位圖與步驟三搭建的加工系統(tǒng)對(duì)超快激光初始的高斯分布圓形光斑整形為多電容集成圖案的光場(chǎng)，并聚焦在二維材料薄膜電極材料表面。通過控制超快激光的加工參數(shù)，獲得滿足需求和設(shè)計(jì)的特定位置去除，形成一個(gè)光斑內(nèi)的剩余材料構(gòu)成多個(gè)超級(jí)電容集成化串并聯(lián)的一次性加工；

步驟五：在步驟四中加工好的二維材料微型電容器上滴涂電解質(zhì)溶液，并靜止12小時(shí)，使其充分浸入微型電容器，得到組裝好的微型超級(jí)電容器陣列。

作為優(yōu)選，步驟二中所選用的自編程序基于GS算法，且設(shè)計(jì)圖案為單像素精度以保證加工結(jié)果的精度最優(yōu)性，使得去除材料的精度達(dá)到300nm；