Transition metal oxide thin films made by sputtering method for micro-supercapacitors

Oxydes de métaux de transition élaborés par pulvérisation magnétron pour micro-supercondensateurs Pour que les prochaines technologies de l'Internet des objets (IoT) deviennent pleinement autonomes via des dispositifs microélectroniques interconnectés autonomes, il faut des sources d'alimentation intégrées sur puce. Les micro-supercondensateurs (MSC) sont de remarquables dispositifs de stockage d'énergie électrochimique miniaturisés offrant une densité de puissance élevée (> 10 mW.cm−2) mais une très faible densité d'énergie (<0,1 mWh.cm−2) et capables de fournir l'énergie sur puce. demande de puissance. Cependant, atteindre la densité énergétique élevée nécessaire sans sacrifier la puissance constitue un goulot d'étranglement majeur, auquel nous recherchons ardemment une solution ; les performances des MSC sur puce dépendent fortement des matériaux d'électrode, ce qui nécessite des progrès continus dans la conception des matériaux et les techniques de dépôt, entièrement compatibles avec les processus de microfabrication avancés. Cela nécessite des recherches approfondies sur de nouveaux matériaux d'électrode capables de fournir une densité d'énergie élevée à des taux de charge/décharge élevés. Les oxydes de métaux de transition (TMO) tels que RuO2, MnO2 et MoO3 sont considérés comme les principaux matériaux d'électrode pour les applications MSC, présentant plusieurs états d'oxydation pour un transfert de charge rédox efficace. Cependant, les techniques de préparation pour le développement de films d'électrodes TMO reposent en grande partie sur des voies de traitement par voie humide ou des synthèses chimiques, qui ne sont généralement pas largement utilisées par les techniques de microfabrication habituellement rencontrées dans l'industrie microélectronique. Cette recherche se concentre sur le développement d'électrodes hautes performances basées sur divers matériaux d'oxydes de métaux de transition pseudocapacitifs pour les applications MSC sur puce, avec des techniques de préparation entièrement compatibles avec les processus de microfabrication. L'étude a examiné un certain nombre de matériaux d'électrodes à base d'oxydes prometteurs, notamment les oxydes métalliques binaires et ternaires, à savoir l'oxyde de molybdène, l'oxyde de ruthénium et le MnFe2O4. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, de nouvelles approches ont été utilisées pour produire des films d'oxyde pseudocapacitifs très efficaces. Tout d'abord, la préparation de films d'oxyde de spinelle MnFe2O4 a été réalisée selon une procédure en deux étapes impliquant des techniques de dépôt par pulvérisation magnétron réactive et un processus de recuit ex situ post-dépôt. D'autre part, une nouvelle approche a été adoptée utilisant une technique de pulvérisation magnétron DC, éliminant le processus réactif pour obtenir des films d'électrodes binaires en oxyde métallique présentant une morphologie très poreuse en forme de plume avec une grande surface spécifique, ce qui est bénéfique pour le stockage pseudocapacitif des électrodes pulvérisées. Les électrodes à base d'oxyde de Ru ont enregistré la capacité superficielle la plus élevée de 1,2 F cm-2 avec une constante de temps inférieure à 4 s, et une bonne stabilité en cyclage avec une excellente rétention de sa capacité initiale (~100 %) après 20 000 cycles avec comme électrolyte H2SO4 0,5 M. Permettant de dépasser les performances de la plupart des électrodes de MSC 2D obtenues par voie chimique. Ainsi, les techniques de préparation d'électrodes, qui peuvent être étendues à d'autres matériaux d'électrodes à oxyde, ouvrent une nouvelle ère pour le développement d'électrodes à base d'oxydes hautement efficaces pour les applications MSC sur puce.