高的擊穿電壓操作。通常，擊穿電壓與電電介質材料的厚度成比例。電介質的厚度將通過在本公開中描述的納米結構/孔幾何形態(tài)被限制。另外，需要適當地設計所有三個電容器以保證每個電容器上的所有電壓降對于其相應的擊穿電壓(或用于EDLC組件的電化學窗口)是安全的。例如，在本設計的計算中，如果在正電極上形成2.5 nm厚度的電介質膜(諸如T12，是針對1.3 V所設計的)，能夠實現與多孔Si EDLC相比的更高的比能量。在用于MM電容器的理論中，Al2O3具有1.38 V / nm的擊穿、HfO2具有0.67 V / nm的擊穿、Ta2O5具有0.37 V / nm的擊穿，并且SrT1 3具有0.23 V / nm的擊穿。在具有形成在正電極上的電介質的目前設計中，試驗結果指出，Al2O3具有.6 V / nm的擊穿、HfO2具有.55 V / nm的擊穿、Ta 205具有.2 V / nm的擊穿，并且SrT13具有0.13 V / nm的擊穿。典型地基于電介質中的缺陷，與理論結果相比，試驗結果具有較低的擊穿值。
[0015]通過選擇具有大于電解質的介電常數值的適當的電介質材料，與使用相同的孔結構和用于兩個電極的相同的導電涂層厚度的常規(guī)多孔硅電化學電容器相比，能夠顯著地提高總體設備操作電壓和能量儲存容量(例如，33%)。能夠通過使用大孔徑尺寸多孔硅(例如，從30 nm到3 Mn的直徑)進一步增加電介質厚度來實現更高的電壓。然而，由于因與較大的孔相關聯的減小的有用表面所引起的總體電容的減小，能量容量可能不同時地改進。為了進一步進行澄清，操作電壓的增加起因于電壓降中的一些(例如，大致90%)在電介質層上(允許設備的總電壓高于電解質的電化學窗口)的事實。由于實現某操作電壓的需要，可能的能量(對于較高的電壓應用)和電容的降低對于某些應用可以是可接受的。
[0016]在本發(fā)明的至少一些實施例中，納米觀多孔材料用于形成根據本公開的同時地具有高電壓和大表面面積的電解電容器。與當前電解電容器技術不同，本發(fā)明的實施例為跨常規(guī)EDLC設備和常規(guī)電解電容器的性能優(yōu)點的設備技術搭橋。另外地，該設備能夠被單片地集成到微芯片上或集成在封裝中，這在當前電解電容器儲存設備中是不可能的。
[0017]在實施例中，電介質層包括作為極性的陽極氧化物電電介質。因此，電解電容器也是極性的(與經典的靜電電容器形成對比)。也就是說，對于該實施例，電容器必須如所標記的與正確的極性連接。否則，與反向電壓的連接通過氧化物容易地注入氫離子，造成陽極氧化膜的高電導、加熱和減小。
[0018]在其他的實施例中，通過使用兩個陽極代替陽極和陰極來制作非極性(S卩，單極或雙極)設備，或者兩個相同的設備的正極或負極能夠被連接在一起。然后，其他兩個端子將形成非極性設備。
[0019]圖2是根據本發(fā)明的一個實施例的、表示用于構造納米結構電解電容器的方法的流程圖200。在框202，方法200可以包括形成第一導電納米結構。在一個實施例中，通過襯底(例如，硅、SiC)的陽極蝕刻或者在形成具有納米寬直徑(例如，多達100納米寬)的深孔(例如，微米深)的領域中已知的任何其他工藝來形成導電納米結構。導電層能夠被沉積在具有納米觀孔的襯底上。
[0020]在框204，方法200包括在第一導電納米結構上形成電介質層(例如，高k氧化膜、S1x,等等)。能夠通過到第一導電納米結構(例如，正電極)上的ALD生長、超臨界流生長或者水熱法生長來形成高 k 氧化膜(例如，A1203、T12, HfO2, HfS1x, HfAlOx, Nb2O5, Ta2O5, VOx,諸如SrTi03、(Ba, Sr) Ti03、LiNb03、Bi4Ti3O12，等等的1?鈦礦氧化物)。氧化膜也被設計為具有高電壓擊穿。在框206，該方法包括通過襯底(例如，硅、SiC)的陽極蝕刻或者在形成具有納米寬直徑的深孔(例如，數十微米深)的領域中已知的任何其他工藝來形成第二導電納米結構。能夠利用通過到多孔硅襯底上的ALD (TiNx, TixAlyNz, VNx, NbNx, MoNx, TiCx, ZrCx,HfCx、VCx、NbCx、TaCx、WCx、TiSix、NiSix、CoSix, Mo、W、Pt、Ru，等等)、超臨界流生長、或電鍍(N1、C0、Cu、Pd、Au，等等)或通過多孔硅襯底的碳化所沉積的適當地匹配的導電涂層來形成第二導電納米結構(例如，負電極)?？梢允褂镁哂写蟊砻婷娣e的導電聚合物、泡沫金屬或其它基于碳的材料來形成襯底。第二導電納米結構可以包括偽電容材料來進一步改進設備電壓和容量。在一個實施例中，利用匹配的(即，相同類型的)導電層來形成第一和第二導電納米結構。
[0021]在框208，該方法包括:形成隔離物，將第一導電納米結構與第二導電納米結構隔離并且允許電解質的離子穿過隔離物。例如，可以在介入的隔離物的情況下將第一和第二導電納米結構面對面結合在一起。第一導電納米結構可以是正電極，并且第二導電納米結構可以是能量儲存設備的負電極。當能量儲存設備處于操作中時，可以通過電解質的存在來產生雙電層。電解質基于電介質層的漏電流、根據需要對電介質層進行局部地修復和變厚。在第一導電納米結構(例如，正電極)上形成電介質層以提高大表面面積上的電壓和納米尺度。例如，在蝕刻到襯底中的20 nm寬的孔的情況下，可以產生沒有100微米厚板上的高水平表面面積均方差的大表面面積(例如，數百平方米的表面面積/立方厘米)材料。
[0022]通過改變多孔材料的孔徑尺寸、電極涂層的材料選擇以及電解質的選擇，設備能夠被設計為滿足用于較高電壓、較高電容或者較高電力的特定應用。能夠形成三維結構，其允許不對稱形態(tài)(諸如孔徑尺寸、表面面積、或者深度)的電極，以在沒有超過電解質和電介質層的擊穿電壓的情況下來最大化設備的操作電壓窗口。
[0023]圖3是根據本發(fā)明的實施例的多孔結構300的橫截面視圖。多孔結構300包括具有娃(Si)襯底310 (例如，包括單晶體、單晶、多晶和非晶娃的具有好的導電率的任何娃襯底)內的多個溝道311的多孔層320。陰影區(qū)域320將多孔層與無孔層321相區(qū)分。陰影區(qū)域320中的襯底材料可以是與非陰影區(qū)域321相同的材料。在一個實施例中，非陰影區(qū)域可以被移除或者在厚度方面被減小以最小化其尺寸以便實施在緊湊的設備中。多孔層邊界325表示Si襯底內的溝道的陣列的平均孔深度。在一個實施例中，每個溝道可以具有到Si襯底310的多孔表面315的開口 312。在其他的實施例中，可以利用不同的制造技術形成襯底，并且襯底可以包括不同的材料(例如，碳)。例如，壓縮活性炭可能不具有到襯底的表面的開口。
[0024]在一個實施例中，襯底可以包括能夠被蝕刻以構成具有大表面面積的多孔材料的硅、碳化硅、鍺、碳、錫或者任何其他材料。使用硅的可能的優(yōu)點包括其與現存硅技術的兼容性。鍺由于用于該材料的現存技術的結果而享有類似的優(yōu)點，并且，與硅相比，享有另外的可能的優(yōu)點，其自然氧化物(氧化鍺)是水溶性的并且因此容易地被移除。(形成在硅的表面上的自然氧化物可以捕獲電荷一一其是不期望有的結果。)鍺也與硅技術高度地兼容。使用是零帶隙材料的錫的可能的優(yōu)點包括其相對于某些其他導電和半導電的材料的增強的導電率。其他材料也可以用于多孔結構，包括碳化硅、諸如硅和鍺的合金之類的合金以及諸如銅、銷、鎳、鈣、鎢、鉬和錳之類的金屬。例如，硅鍺合金將有利地表現出比純鍺結構小得多的體積差。
[0025]在正確蝕刻劑的情況下，應當可能的是，使從各式各樣的材料制成具有描述的特性的多孔結構。舉例來說，可以通過利用氫氟酸(HF)和灑精(乙醇、甲醇、異丙基，等等)的混合物蝕刻硅襯底來產生多孔硅結構。更一般地說，可以通過諸如陽極化和染色蝕刻之類的工藝來形成多孔硅和其他多孔結構。
[0026]在某些實施例中，溝道中的每一個的最小的尺度是幾納米或者數十納米。可以對于特定實施例選擇用于溝道的最小尺度的該上限尺寸，以便最大化那些實