mile米乐m6官网 开发钛酸钡纳米立方单层膜与石墨烯交替叠层工艺技术

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）极端功能材料研究部研究员板坂博树、高级首席研究员刘昆、首席研究员三村健一、研究组组长滨本浩一是电介质材料钛酸钡（BTO）立方单晶（纳米立方）单层薄膜和多层石墨烯薄膜。

本研究开发的技术由约20纳米大小的BTO纳米立方体以二维方式规则排列的单层膜和厚度为2至3纳米的多层膜组成石墨烯多层陶瓷电容器（MLCC）这有望成为实现内部介电层和电极层交替堆叠结构大幅薄型化的基础技术。

该技术的详细信息将于 2023 年 9 月 1 日（日本时间）公布。应用物理快报发布

近年来，随着智能手机和平板电脑等小型电子设备的性能迅速提高，这些设备中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，重要的开发挑战是使各层更薄并增加层叠层数，以减小尺寸并提高性能。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作为介质层的MLCC，通过将作为介质层的原材料的BTO粉末和作为电极层的原材料的金属粉末交替层叠并在1000摄氏度以上的高温下烘烤的工艺形成层状结构。然而，介电层和电极层的厚度已经达到1μm以下，接近原料粉末颗粒的尺寸（数百纳米），并且还存在介电层因减薄而绝缘性能下降等问题，利用目前的原料粉末和层压工艺进一步减薄已接近极限。因此，我们面临的挑战是开发一种新的多层工艺技术，将介电层和电极层减小至纳米级厚度，同时使作为原材料的BTO粉末变得更细，并保持MLCC的可靠性。

AIST一直在研究开发作为MLCC介电层主要原材料的微小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，水热法成功合成了BTO的纳米尺寸立方单晶（nanocubes）（参考文献1），并随着分散体溶剂的蒸发自组织，我们开发了一种成膜技术，可形成厚度约为20 nm的单层膜，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粉末形成致密薄膜，需要在高温下进行热处理，但已经发现，通过规则排列均匀尺寸和形状的BTO纳米立方体，无需热处理即可获得致密薄膜。这次，为了将通过这些技术获得的BTO纳米立方体单层膜用作MLCC内部的介电层，我们开发了一种将其与电极层交替堆叠的技术。

此项研究与开发得到了日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究补助金 JP20H02446 (2020-2022) 和新能源与产业技术综合开发机构 (NEDO) 合同项目 JPNP20005 (2021-2023) 的支持。

通过这项技术，我们专注于二维碳材料石墨烯的优异导电性，并设计了一种方法，通过将其与单层 BTO 纳米立方体结合作为电极，创建极薄电极层和介电层的交替堆叠结构。通过交替重复将使用上述成膜技术制造的BTO纳米立方体单层膜转移到下电极基板上以及将片状多层石墨烯转移到其上的过程，可以创建石墨烯/BTO纳米立方体单层膜交替堆叠的结构，类似于MLCC内部的堆叠结构。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。

从图1中可以看出，形成了厚度约20纳米的均匀BTO纳米立方体介电层，并在其顶部堆叠了厚度为2至3纳米的多层石墨烯层。通过重复这个过程，他们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。在我们这次创建的交替层叠结构中，与使用BTO作为介电层的MLCC内的传统层叠结构（介电层和电极层的最小厚度均为数百纳米）相比，我们能够将介电层和电极层的厚度分别减少到十分之一和百分之一以下。使介电层和电极层变薄对于MLCC的小型化和提高性能至关重要，但同时，更薄的层会导致作为电极材料的金属侵入不均匀的BTO颗粒之间的间隙。漏电流发生这种情况，就会出现电容器的可靠性降低的问题。到目前为止，已经发现，通过使用厚度约为2至3nm的多层石墨烯（也用于该替代堆叠结构）作为电极层而不是传统的金属电极，可以减少由电极材料渗透到BTO颗粒之间的间隙中引起的漏电流。除了这种漏电流减少效果之外，新开发的技术有望成为MLCC内部叠层结构薄型化技术的突破。

今后，我们将优化热处理等工艺，以提高我们所生产的叠层电容器的性能，并致力于开发可量产的工艺，目标是实现下一代工艺技术，从而实现MLCC的大幅小型化和大容量化。

已出版的杂志：应用物理快报
论文标题：石墨烯电极超薄钛酸钡纳米晶单层电容器
作者：Hiroki Itasaka*、Zheng Liu、Ken-ichi Mimura 和 Koichi Hamamoto
*通讯作者
DOI：101063/50156549

1。 F Dang、K Mimura、K Kato、H Imai、S Wada、H Haneda 和 M Kuwabara，纳米级, 4 1344 (2012).
2。 H Itasaka、K Mimura 和 K Kato，纳米材料, 8, 739, (2018).

电介质

一种材料，既具有不传导电流的绝缘特性，又具有在施加电压时储存电力的介电特性。[返回来源]

钛酸钡

化学式BaTiO₃表示。由于它具有优异的介电性能（储存电力的能力），因此被用作多层陶瓷电容器介电层的主要原材料。[返回来源]

石墨烯

一种二维材料，其中碳原子以六角形网络结合，如蜂窝状。单层石墨烯的厚度为一个碳原子。由于其优异的导电性、机械强度和化学稳定性，它作为下一代器件材料而受到关注。[返回来源]

多层陶瓷电容器

通过在电子电路中储存和释放电力来起到稳定电压和消除电噪声作用的电子元件。它具有一种结构，其中用于施加电压的电极层和用于存储电力的电介质层以千层图案交替堆叠，并且随着交替的电极层和电介质层的数量增加，电容（可以存储的总电量）增加。[返回来源]

水热法

一种在高温高压的热水中合成颗粒和晶体的方法。[返回来源]

自组织

分子和粒子自发形成有序阵列结构的现象。[返回来源]

漏电流

在电子电路中，电流从不应该流动的地方泄漏的现象。在多层陶瓷电容器中，漏电流会导致电容和可靠性下降。[返回来源]