Предложен квантовый суперконденсатор, между электродами которого располагается наноструктурированный материал, состоящий из кластеров с туннельно прозрачными оболочками. (стр. 3 из 4)

На фиг. 3 изображен другой вариант квантового суперконденсатора,

Здесь 7 и 8 – токопроводящие электроды, 9 – туннельно прозрачная оболочка кластера, 10 – осесимметричная полость в кластере, Полость 10 в кластере может быть заполнена соответствующим материалом или газом для создания условий формирования кольцевого резонансного электрона. Туннельно прозрачная оболочка 9 разделяет кластеры между собой и создает условия прохождения электронов в виде однородной волны от катода к аноду. Анод и катод могут меняться местами, т.е., конденсатор является не полярным.

Каждый слой конденсаторов, показанных на фиг.2 и фиг.3, должен быть однородным В то же время слои могут отличаться друг от друга по размерам кластеров или материалу.

Согласно дальнейшему усовершенствованию конденсатор характеризуется также тем, что электроды конденсатора выполнены из проводящих материалов с различными электрическими свойствами. В таком случае различные работы выхода электронов их электродов позволяют менять условия заряда и разряда конденсатора. В этом случае условия разряда могут быть, как биполярными, так и униполярными.

Примеры осуществления изобретения

Заявляемое изобретение открывает возможность увеличения удельной плотности запасаемой энергии при одновременном увеличении рабочих температур конденсаторов и уменьшение токов утечки, что увеличивает время хранения энергии в конденсаторе. Эти параметры определяют коммерческую реализуемость конденсаторов. Однако, встает вопрос, можно ли использовать существующие в настоящее время технологии для производства предлагаемых конденсаторов и будут ли они рентабельны при массовом производстве таких приборов.

Рассмотрим возможности технической реализации. Покажем, что создание предлагаемых наноструктурированных материалов для конденсаторов в виде кластеров, разделенных туннельно прозрачными промежутками вполне осуществимо на современной технологической базе.

В настоящее время в электротехнической промышленности широко используются диэлектрики с нелинейной характеристикой, на основе которых создаются ограничители входных напряжений - варисторы. В этих элементах происходит лавинный пробой диэлектрика без деструкции материала, например, в широкозонных полупроводниках, выполненных в виде многослойных поликристаллических пленок на основе ZnO. В этих пленках размер кристаллитов-кластеров составляет 0.2-15.0 мкм, и они разделены туннельно прозрачными промежутками из Bi₂O₃ толщиной 2.0-10.0 нм [10]. Производство варисторов хорошо отлажено. На базе этого производства достаточно просто можно изготовить кластеры размером менее 200 нм, доведя их до характерного размера 14.5 нм. В

В этом случае проявятся резонансные свойства электронов и элемент приобретет новые свойства – свойства накопителя энергии.

Формирование сферических и сфероподобных частиц возможно двумя способами [11]. Первый способ - из газовой фазы формируются металлические или полупроводниковые кластеры диаметром до 37 нм с последующим их окислением в потоке кислорода или подобных химических реагентов. Образование таких частиц аналогично образованию градин в атмосфере Земли. Второй способ - коллоидный. Он основан на осаждении кластеров из растворов солей металлов с последующим их химическим покрытием соответствующими оболочками.

Наноразмерные полые сферы из диоксида циркония автоматически получаются в процессе высокочастотной плазмохимической денитрации, и их можно наносить на подложку непосредственно из плазмы [12]. Частицы 4-15 нм также автоматически получаются в материале Mo₂N [13].

Создание планарных вертикальных наноканалов основано на коллективных способах формирования. Например, по технологии электрохимического окисления Al, Ta, Nb, Hf и др. Образовавшийся канал можно заполнить гальваническим способом металлом или полупроводником [14].

Приведенные примеры показывают, что существующие в настоящее время способы позволяют создавать наноструктурированные материалы для квантовых суперконденсаторов на основе существующих технологий.

Кроме того, в микроэлектронике существуют отработанные способы создания на кремнии гигабитной памяти. Для увеличения времени хранения и уменьшения размеров ячеек такой памяти можно применять наноструктурированный материал. Его можно непосредственно наносить на ячейки памяти из газовой фазы через вскрытые окна маски. В этом случае можно на той же поверхности кремния получить больший объем памяти или меньшее ее энергопотребление. Особенно важно, что можно получить энергонезависимую память. При этом минимально возможные ячейки памяти для перспективных интегральных схем не будут превышать размер одного кластера с оболочкой, т.е., порядка 30 нм. Важно, что этот размер является фундаментальным пределом для электронных схем, использующих в качестве носителей электроны. Ниже этого размера создать элементы интегральных схем невозможно из-за туннельных эффектов, возникающих между шинами управления.

Применительно к энергетике для буферного накопления большого количества энергии для создания квантовых суперконденсаторах можно использовать более простую технологию получения наноструктурированного материала, например, на основе создания нанопористой пены. Для этого можно доработать технологию создания углеродной пены или технологию синтеза нанопористых силикатных стекол [15]. Кроме того, достаточно дешевый способ синтеза сферических пористых частиц по золь-гель методу позволит также сформировать наноструктурированный материал для конденсатора [16].

Литература

1. Патент США №5.856.907

2. Патент США №6.180.252

3. Электрохимия. Прошедшие тридцать и будущие тридцать лет. Г.Блума. М., Мир, 1982 г.

4. Патенты США №4.697.224, №5.557.497,

5. Патент РФ №2160940

6. Заявка PCT/BY99/00012 «Quantum-Size Electronic Devices and Operating Conditions Thereof» (International Publication Number: WO 00/41247, 13.07.2000)

7. M. Beyer, W. Boeck, K. Moller, W. Zaengl. Hochspannungstechnic. Theoretische und Praktische Grundlagen. Springer-Verlag, 1986. [Русск. перевод. Техника высоких наряжений: теоретические и практические основы применения: Пер. с нем./ М. Бейер, В. Бёк, К. Мёллер, В. Цаенгль. - М.: Энергоатомиздат, 1989. 555 с.]

8. S.M. Sze. Physics of Semiconductor Devices. A Wiley-Interscience Publication John Wiley&Sons. New York... 1981 [Русск. перевод. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. М. Мир. 1984. В 2 томах]

9. Бузанева Е.В. Микроструктуры интегральной электроники. М. Радио. 1990. [Buzaneva E.V. Microstructures of integral electronics. M. Radio. 1990.]

10. Заявка PCT WO 98/21754 от 22.05.1998.

11. Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы. М.Наука.1986, 368 с.

12. Дедов Н.В. и др. Структурные исследования порошков на основе диоксида циркония, полученных методом ВЧ - плазмохимической денитрации. Стекло и керамика. 1991. №10, с.17-19.

13. J. Phys. Chem. 18. №15. 1994. P. 4083.

14. Аверьянов Е.Е. Справочник по анодированию. М. Машиностроение 1988.

15. Патент США №5.300.272

16. Anal. Sci. 10. № 5. 1994. P. 737.

Формула изобретения

1. Квантовый суперконденсатор, содержащий, по меньшей мере два электрода, промежуток между которыми заполнен наноструктурированным материалом, состоящим по крайней мере из одного кластера с туннельно прозрачным промежутком, отличающийся тем, что кластер имеет по меньшей мере один характерный поперечный размер, определяемый в интервале

7.2517нм

< r < 29.0068нм,

причем толщина туннельно прозрачного промежутка не превышает 7.2517нм, а расстояние между электродами превышает 7.2517нм.

2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что кластеры выполнены из материала, выбранного из группы, состоящей из материалов - полупроводника, проводника, сверхпроводника, высокомолекулярного органического материала (ВМОМ) или их комбинации.

3. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что кластер выполнен в виде полости, с оболочкой из туннельно прозрачного слоя, состоящего из полупроводника или диэлектрика.

4. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что кластер имеет центрально симметричную форму.

5. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что кластер выполнен протяженным и имеет характерный поперечный размер, определяемый в интервале

14.5034нм

< r < 29.0068нм

6. Конденсатор по п.4, отличающийся тем, что кластер выполнен протяженным вдоль оси и имеет регулярную структуру с периодом, определяемым в интервале

7.2517нм

< r < 29.0068нм,

7. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что множество кластеров расположено регулярно, по меньшей мере, в одном слое, причем промежутки между кластерами являются туннельно прозрачными и не превышают 7.2517нм.

8. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что множество кластеров с туннельно прозрачными промежутками расположены регулярно в виде слоев, по меньшей мере, в одном из слоев параметры кластеров отличаются от параметров кластеров в соседних слоях, причем промежутки между кластерами являются туннельно прозрачными и не превышают 7.2517нм.

9. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что множество кластеров, выполненных в виде полостей с оболочками из туннельно прозрачного слоя, сообщаются по меньшей мере в с одной из полостей соседних кластеров, образуя пеноподобный материал с открытыми порами, причем оболочка выполнена из или полупроводники или из диэлектрика, или из ВМОМ, а поры заполнены или газом, или полупроводником, или диэлектриком, с отличными от материала оболочки электрическими свойствами.

10. Конденсатор по любому из п.п.1-9, отличающийся тем, что электроды конденсатора выполнены из проводящих материалов с различными электрическими свойствами.