适用集成电路片上微电池问世3D全息光刻技术打造

通过结合3D全息光刻和2D光刻技术,美国伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校的科学家日前开发出一种适用于大规模集成电路的高性能3D微电池。研究人员称,这种微型高能电池具有极其优异的性能和可扩展性,为人们提供了无限的想象空间,有望让很多设备小型化应用成为现实。相关论文发表在美国《国家科学院学报》上。

负责此项研究的伊利诺伊大学材料与工程学教授保罗·布劳恩说,由于小型化储能技术一直以来都是一个难题,微型设备通常都由片外电池或电源提供能源。其难点主要在于3D电极,这种电极十分复杂,在普通电池上实现的难度都比较大,更不用说片上集成。新技术成功突破了难关,让很多重要的应用成为了可能。

论文第一作者、伊利诺伊大学材料与工程学院研究生宁海龙(音译)称,他们采用了一种能够与现有微电子制造高度兼容的技术,开发出这种微型3D锂离子电池。在制造电极时,他们先用3D全息光刻技术来界定电极的内部结构,再用2D光刻技术塑造电极的外部形状。借助3D全息光刻技术,研究人员通过光束创建出完美的三维结构,让这种微型电池获得了性能优异的多孔电极,有助于电池内部电子和离子的快速传导。

这种方法的显著优势在于,能让人们对与电池能量、功率密切相关的参数进行灵活的调整,如电极的大小、形状、表面积、孔隙率和弯曲状态等。这为下一代芯片储能设备的设计制造铺平了道路。

虽然3D全息光刻技术需要对光束进行十分****的控制,但最近的技术进步已经大幅缩减了整个过程所需的光学器件,仅需一个单一光束和一个标准的光刻过程就能满足制造这种微电池的需要。

伊利诺伊大学材料工程学教授约翰·罗杰斯说,该技术让这种电池获得了高度的可扩展性和在微电子制造过程中的兼容性。在结合如锡等高能材料后,还能提供激动人心的新功能,其中就包括高容量和良好的循环寿命,这种电池将为片上设备提供安全可靠的能源。

布劳恩说,这种小型化、高能量和大功率片上电池将让自主微尺度致动器、分布式无线传感器、发射器、监视器以及便携式、可植入医疗设备等获得长足的发展。



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