基于mems微电容的电极材料的研究

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1、原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校

2、可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：中北大学学位论文基于MEMS微电容的电极材料的研究摘要超级电容器，是一种新型电能储存元件，具有电容量大、漏电流小等优点，目前已被广泛应用于多个领域。但随着越来越多的微纳米尺寸的微小型器件得到应用，普通超级电容器由于尺寸大已无法为这些微小型器件提供能源，因此人们将MEMS技术与超级电容器相结合，研制出一种微纳米尺寸的新型超级电容器，它被称为MEMS超级电容器或者MEMS微电容。M

3、EMS微电容具有存储能量大、循环寿命长、体积微型化等优点，可为微小型器件提供稳定可靠的能源。作为超级电容器的一个重要分支，MEMS微电容的性能主要取决于电极材料，目前，常用的电极材料主要有碳材料、金属氧化物和导电聚合物。其中，导电聚合物中的聚吡咯（PPy）由于具有良好的导电性、合成简单、环境稳定性好等成为人们的研究热点。但是，以PPy为电极材料的MEMS微电容普遍具有两个缺点：一是比容量较小，二是循环稳定性较差。为了解决这些问题，本论文将PPy与碳材料复合制备新型功能薄膜作为MEMS微电容的电极材料，并加以测试。本论文首

4、先对MEMS微电容的双电层电容和法拉第赝电容的储能机理作了初步探讨，确定了MEMS微电容设计方案，选择碳材料中的碳纳米管（CNT）和石墨烯（GR）作为实验材料，在完全相同的镍基三维基础微结构表面制备三种电极材料：PPy、PPy/CNT、PPy/GR，利用ANSYS软件对三种不同电极材料的MEMS微电容进行了容值仿真，得到其容值均在20μF以上。接下来，利用MEMS加工技术和电化学沉积技术制备出上述三种MEMS微电容样品，并测得三种电极材料在三维基础微结构上的负载222量分别为0.056mg/cm、0.039mg/cm、0

5、.034mg/cm。最后，本论文使用S4700型扫描电子显微镜对三种电极材料进行微观形貌表征，用μAUTOLABⅢ型电化学工作站对三种MEMS微电容样品进行包括循环伏安性能、交流阻抗性能、恒流充放电性能和循环性能在内的电化学性能测试。微观形貌表征结果表明，PPy/CNT、PPy/GR复合电极材料具有明显区别于PPy的微观形貌，这种微观形貌有助于提升电极材料的电容性能，增大了电极材料与三维基础微结构的结合力。电化学性能测试结果为，当放电电流是1mA时，三种MEMS微电容的比电容分别是7.0、8.0、28.3mF/cm，容值

6、分别是25、28、30μF，这与ANSYS的容值仿真结果相符，经过循环中北大学学位论文性能测试后，三者的比电容分别保持了原来的72.9%、85.0%、89.2%，这表明，与PPy相比，PPy/CNT、PPy/GR复合电极材料具有更高的比电容和电容量，循环性能更好，其中PPy/GR复合电极材料表现最好。因此，PPy/碳材料复合电极材料能有效解决PPy比容量较小、循环稳定性较差的问题，将PPy与碳材料复合制备电极材料并运用于MEMS微电容具有重要的研究意义和实用价值。关键词：MEMS，微电容，聚吡咯，碳纳米管，石墨烯中北大学

7、学位论文ThestudyofelectrodematerialbasedonMEMSmicrocapacitorAbstractAsupercapacitorwithadvantagesoflargecapacitance,lowleakagecurrent,etc.isanewenergystorageelement,whichhasbeenusedinmanyfieldswidely.Butasmoreandmoremicro-nano-sizedmicrodevicesareapplied,ordinarysupe

8、rcapacitors,duetotheirlargesize,havebeenunabletoprovidetheenergyforthesemicrodevices.SobycombiningMEMStechnologywithsupercapacitors,peopledevelopedanewmicro-na