一种过渡金属氮化物超级电容器涂层材料的制备方法技术

一种过渡金属氮化物超级电容器涂层材料的制备方法，涉及超级电容器。以不同的沉积压力反应磁控溅射过渡金属氮化物超级电容器涂层材料。所述不同的沉积压力为1.0～5.0Pa；所述过渡金属氮化物为ZrN、HfN、NbN。通过调控薄膜沉积过程中的沉积压力，过渡金属氮化物可获得最大比电容值分别为12.0、13.5和10.2mF/cm

【技术实现步骤摘要】
一种过渡金属氮化物超级电容器涂层材料的制备方法
本专利技术涉及超级电容器，尤其是涉及一种过渡金属氮化物超级电容器涂层材料的制备方法。
技术介绍
随着可获得的化石燃料日益减少，发展高效的储能装置成为人们非常迫切的需求。超级电容器，又称为超大容量电容器，其性能介于电池与传统静电电容器之间，是一种能够弥补传统电容器低能量密度和电池低功率密度的一种新型储能装置，具有良好的温度特性、高比电容、高能量和功率密度、充电时间短、使用寿命长及节能环保等优点，被广泛应用在航天航空、电子产品、便携式电源、电动汽车等领域([1]SimonP,GogotsiY.Materialsforelectrochemicalcapacitors[J].Naturematerials,2008,7(11):845-854)。通常，超级电容器根据其电荷存储机制主要分为两种类型：(1)双电层电容器(EDLC)，通过离子的可逆吸附在电极/电解质溶液间形成双电层存储能量，电极材料一般为高比表面积的碳材料，如石墨烯、碳纳米管等；(2)赝电容电容器，利用电极表面所发生的可逆法拉第反应存储能量，电极材料一般为金属氧化物、导电聚合物，二者的本质区别在于储能方式的不同([2]ChoiD,BlomgrenGE,KumtaPN.Fastandreversiblesurfaceredoxreactioninnanocrystallinevanadiumnitridesupercapacitors[J].AdvancedMaterials,2006,18(9):1178-1182.)。然而，比电容低是碳材料的致命缺陷。相比碳材料，金属氧化物能够通过表面可逆的法拉第反应提供较高的比电容，但是导电性差限制了其功率密度。对于导电聚合物而言，循环稳定性低是限制其广泛应用的重要因素，其原因在于在嵌入/迁出过程导致结构的破坏([3]LuX,LiuT,ZhaiT,etal.ImprovingtheCyclingStabilityofMetal-NitrideSupercapacitorElectrodeswithaThinCarbonShell[J].AdvancedEnergyMaterials,2014,4(4).)。过渡金属氮化物(ZrN、HfN、NbN)由于其具有比电容高、电导率高、熔点高、化学稳定性好及循环性能优异等优点可以用来作为超级电容器材料，具有潜在的应用前景。对于过渡金属氮化物(ZrN、HfN、NbN)而言，其过渡金属氮化物(ZrN、HfN、NbN)制备方法很多，如单质直接氮化法、氧化物碳热还原法、微波合成法、磁控溅射及化学气相沉积方法。相比较而言，单质直接氮化法、氧化物碳热还原法和微波合成法，在制备过程中需要较高的温度，同时很难控制过渡氮化物表面氧的含量；化学气相沉积也存在速率较慢问题，且设备复杂，反应气体一般有毒性及污染性。而磁控溅射具有使用灵活，使用范围广，膜层纯度高，沉积速率快，基体涂覆性好，以及均匀性好、膜基结合力强、膜层平整性高等特点([4]H.Hahn,R.Averback.J.Appl.Phys.,67(1990)111.)。AchourA等使用磁控溅射法，在N2和Ar流量分别为2和18sccm及偏压为-75V的环境中溅射Ti靶，产生Ti原子或原子团与N原子化合形成TiN涂层，电化学表征结果表明，比电容高达8.8mF/cm2，20000循环后容量保持率高达80％([5]AchourA,PortoRL,SoussouMA,etal.Titaniumnitridefilmsformicro-supercapacitors:Effectofsurfacechemistryandfilmmorphologyonthecapacitance[J].JournalofPowerSources,2015,300:525-532.)。Lucio-PortoR使用磁控溅射的方法制备出VN薄膜，并在不同的电解质中对其电化学性能进行分析([6]Lucio-PortoR,BouhtiyyaS,PiersonJF,etal.VNthinfilmsaselectrodematerialsforelectrochemicalcapacitors[J].ElectrochimicaActa,2014,141:203-211.)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种过渡金属氮化物超级电容器涂层材料的制备方法。本专利技术的具体步骤为：以不同的沉积压力反应磁控溅射过渡金属氮化物超级电容器涂层材料。所述不同的沉积压力为1.0～5.0Pa；所述过渡金属氮化物为ZrN、HfN、NbN。所述以不同的沉积压力反应磁控溅射过渡金属氮化物超级电容器涂层材料的具体方法可为：将腔体环境温度加热至185℃，将沉积腔室本底抽真空，当腔室压力≤4.5×10-5Pa后，通入Ar，流量设定为45sccm，调节沉积腔室内环境压力至1.1Pa，将Zr、Hf、Nb金属靶材功率调节至200W，溅射10min，该溅射处理过程，可以除去靶材表面氧化物等杂质污染，活化靶材表面原子，提高靶材的溅射速率以及膜基结合力，溅射完成之后，维持腔体温度为185℃，加热基体至325℃，再通入N2，调节流量，使得Ar与N2总流量为65sccm，N2分压为0.3Pa，分别调节腔室环境压力为1.0Pa、2.0Pa、3.0Pa、4.0Pa、5.0Pa，转动样品台，使基体正对Zr、Hf、Nb金属靶材，且与靶材的距离为100mm，将Zr、Hf、Nb靶直流溅射功率升至90W，3min后升至250W，打开靶材档板，在此功率条件下溅射沉积25min，沉积过程中基体加载负偏压，大小为-70V。本专利技术采用反应磁控溅射技术沉积过渡金属氮化物(ZrN、HfN、NbN)膜层的设计方法，在一定氮气分压、温度等条件下，通过改变沉积压力，制备出具有良好结合力、高电导率、高比容量、优越循环稳定性的过渡金属氮化物(ZrN、HfN、NbN)超级电容器涂层材料。沉积制备的过渡金属氮化物(ZrN、HfN、NbN)膜层均呈现柱状晶结构。电化学表征结果表明，当沉积压力为4.0Pa时，过渡金属氮化物(ZrN、HfN、NbN)涂层的比电容值最大，且经过20000次循环后容量保持率分别为92.5％、93.2％和92.7％。本专利技术采用反应磁控溅射技术沉积过渡金属氮化物(ZrN、HfN、NbN)膜层设计，专利技术了制备高电导率、高比容量、优越循环稳定性过渡金属氮化物(ZrN、HfN、NbN)超级电容器涂层材料的新方法。附图说明图1为1.0Pa和5.0Pa下制备过渡金属氮化物ZrN涂层的XRD谱图。图2为1.0Pa和5.0Pa下制备过渡金属氮化物HfN涂层的XRD谱图。图3为1.0Pa和5.0Pa下制备过渡金属氮化物NbN涂层的XRD谱图。图4分别为1.0Pa和5.0Pa下制备过渡金属氮化物(ZrN、HfN、NbN)涂层的SEM断面形貌图。图5为最佳沉积压力下过渡金属氮化物(ZrN、HfN、NbN)涂层的循环性能。具体实施方式实施例11、基体预处理(1)溶剂清洗处理。先使用丙酮超声清洗20min，再使用95％酒精超声清洗15min，取出后再用超纯水淋洗5min。(2)离子源轰击清洗处理。采用H本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种过渡金属氮化物超级电容器涂层材料的制备方法，其特征在于其具体步骤为：以不同的沉积压力反应磁控溅射过渡金属氮化物超级电容器涂层材料。

【技术特征摘要】
1.一种过渡金属氮化物超级电容器涂层材料的制备方法，其特征在于其具体步骤为：以不同的沉积压力反应磁控溅射过渡金属氮化物超级电容器涂层材料。2.如权利要求1所述一种过渡金属氮化物超级电容器涂层材料的制备方法，其特征在于所述不同的沉积压力为1.0～5.0Pa。3.如权利要求1所述一种过渡金属氮化物超级电容器涂层材料的制备方法，其特征在于所述过渡金属氮化物为ZrN、HfN、NbN。4.如权利要求1所述一种过渡金属氮化物超级电容器涂层材料的制备方法，其特征在于所述以不同的沉积压力反应磁控溅射过渡金属氮化物超级电容器涂层材料的具体方法为：将腔体环境温度加热至185℃，将沉积腔室本底抽真空，当腔室压力≤4.5...

【专利技术属性】
技术研发人员：王周成，魏斌斌，张东方，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35