On-chip micro-supercapacitors based on nano-structured carbon materials

par Peihua Huang

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Magali Brunet et de Patrice Simon.

Soutenue en 2013

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    L'accroissement des fonctionnalités dans les appareils électroniques portables a pour conséquence des besoins de plus en plus importants en énergie et en puissance dans un espace limité. Les micro-batteries Li-ion sont les sources d'énergie les plus utilisées de nos jours. Mais ses inconvénients sont une faible tenue en puissance, une durée de vie limitée et une gamme de température restreinte. Micro-supercapacités à base de carbone, d'autre part, sont capables de fournir de l'énergie en peu de temps, offrant ainsi une forte puissance, de travailler à basse température avec une durée de vie illimitée. Cette thèse propose plusieurs micro-supercondensateurs à base de carbone, d'être intégrés sur un substrat de silicium avec d'autres composants de l'électronique ou des capteurs. Ils ont suscités beaucoup d'intérêt comme un remplacement potentiel ou effectif de micro-batteries, ou comme complément de ces mêmes micro-batteries permettant l'amélioration globale des performances du système d'alimentation. Le travail de thèse se concentre principalement sur les matériaux et les technologies adaptées pour permettre à la réalisation des micro-supercondensateurs. Deux types de micro-supercondensateurs sur puce avec motifs interdigitées ont été développés: l'un préparé par dépôt électrophorétique (EPD) de poudres de carbone ou nous étudierons la combinaison entre des matériaux de carbone de différentes natures et différents types d'électrolytes, l'autre par la chloration de carbure film en carbone (TiC-CDC ou SiC-CDC) sur la puce en silicium avec différentes techniques de microfabrication. Micro-supercondensateur à base de oignons de carbone par EPD montre une excellente capacité en puissance (vitesse de balayage allant jusqu'à 100 V / s) dans l'électrolyte organique, et une large gamme de température (50 ° C - 80 ° C) dans un mélange eutectique liquide ionique. Différentes techniques pour structurer les films de carbure ont été développées pour fabriquer un micro-supercondensateur à base de CDC: gravure ionique réactive (RIE) ou faisceau d'ions focalisé (FIB). Micro-supercondensateurs à base de films TiC-CDC montrent des résultats préliminaires prometteurs. Les technologies développées ouvrent la voie à une intégration pleine et effective des dispositifs de stockage d'énergie micro-taille sur-puce.

  • Titre traduit

    Micro-supercondensateurs sur puce à base de carbones nanostructurés


  • Résumé

    The increasing number of functions in portable electronic devices requires more and more energy and power within a limited space. Li-ion thin film or so-called micro-batteries are the current solution for power supply. Drawbacks of these storage elements are poor power performance with limited life-span and temperature range. Carbon-based micro- supercapacitors, on the other hand, are able to deliver energy in short time, thus offering high power capability, to work at low temperature and they present an unlimited life-span. This thesis proposes several carbon-based micro-supercapacitors, to be integrated on a silicon substrate together with other electronics components or sensors. They are foreseen as a potential replacement or complement of Li-ion micro-batteries to enhance the total performance of the whole power source system. The thesis work is mainly focused on adapted materials and technologies for enabling micro-supercapacitors realization. Two types of on-chip micro-supercapacitors with planar interdigitated electrodes configuration were developed: one prepared from Electrophoretic deposition (EPD) and its combination of different carbon materials and different types of electrolytes, the other from patterned titanium or silicon carbide derived carbon film (TiC-CDC or SiC-CDC) on Si chip with different microfabrication techniques. Onion like carbon-based micro-supercapacitor by EPD shows high power delivery (scan rate up to 100V/s) in organic electrolyte, and high temperature range (-50 °C - 80 °C) in a eutectic mixture of ionic liquids. Different techniques for patterning carbide films have been developed to fabricate a CDC based micro- supercapacitor: reactive ion etching (RIE) or focused ion beam (FIB). TiC-CDC film based micro-supercapacitors show promising preliminary results. The developed technologies pave the way to a full and effective integration of micro-size energy storage devices on-chip.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (157 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 150-152

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2013 TOU3 0342
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