可电极化的化合物和电容器制造技术

本发明专利技术提供了一种具有以下通式的可电极化的化合物：

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可电极化的化合物和电容器现有技术的声明本申请要求2016年4月4日提交的美国专利申请15/090,509的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文。本申请要求2016年5月24日提交的美国专利申请15/163,595的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文，并且该申请为美国专利申请号15/090,509的部分续接申请。
本专利技术公开总体上涉及电路的被动元件，更具体而言，本专利技术公开涉及可电极化的化合物以及基于这种材料并意图用于能量储存的电容器。
技术介绍
电容器是静电场形式下用于储存能量的被动电子元件，并且包含通过电介质层分开的一对电极。当在两个电极之间存储电势差时，电介质层中存在电场。理想的电容器表征为电容的单一的恒定值，其为各个电极上的电荷与它们之间的电势差的比值。对于高电压应用而言，必须使用更大的电容器。电介质材料的一个重要特征是其击穿电场。击穿电场相当于这样的电场强度的值，在该电场强度值下，所述的材料遭受灾难性故障并且在电极之间传导电力。对于大多数的电容器几何结构而言，电介质中的电场可以通过两个电极之间的电压除以电极之间的间距来估计，所述的间距通常为电介质层的厚度。由于所述的厚度通常是恒定的，所以其更通常地是指击穿电压，而不是击穿电场。存在多种可以急剧降低击穿电压的因素。具体而言，导电电极的几何形状是影响用于电容器应用的击穿电压的重要因素。特别是，尖锐的边缘或点会大幅增加局部的电场强度，并且可以导致局部击穿。一旦局部击穿在任一点处开始，则击穿将通过电介质层快速“前进”直至其到达相反的电极并导致短路。电介质层的击穿通常以如下方式发生。电场的强度变得足以高至将电子由电介质材料的原子“拉出”，并使得它们由一个电极至另一个电极传导电流。电介质中杂质的存在或者晶体结构的缺陷可以导致在半导体装置观察到的雪崩击穿。电介质材料的另一个重要特征是其电介质介电常数。不同类型的电介质材料用于电容器，并且包括陶瓷、聚合物膜、纸和不同种类的电解电容器。最广泛使用的聚合物膜材料为聚丙烯和聚酯。电介质介电常数增加可以增加体积能量密度，这使得其成为重要的技术任务。有机分子的二阶非线性光学(NLO)效应超过无机晶体的优点已经进行广泛的研究。所研究的性质例如包括它们大的光学非线性、超快的响应速度、高损伤阈值以及低的吸收损耗等。特别地，具有优异的光学性质的有机薄膜在集成光学中具有巨大的潜力，例如光学开关、数据操作和信息处理。在有机NLO分子中，偶氮染料发色团受到许多研究者的特别关注，这是因为它们由于p电子云的离域而具有相对大的分子超极化率(b)。在过去十年中，它们最通常地作为客体被引入聚合物基质(客体-主体聚合物)或者接枝到聚合物基质(官能化的聚合物)中。有机化合物的超电子极化在RogerD.Hartman和HerbertA.Pohl的“Hyper-electronicPolarizationinMacromolecularSolids”,JournalofPolymerScience:PartA-1Vol.6,pp.1135-1152(1968)中更详细地描述。超电子极化可以被视为电子极化外场，这是由于与激子的电荷对的柔顺作用(pliantinteraction)，其中电荷是分子分离的，并且范围覆盖分子有限域(molecularlylimiteddomain)。在这篇文章中，研究了四种聚并苯醌自由基聚合物。这些聚合物在100Hz下具有1800-2400的介电常数，在100,000Hz下降低至大约58-100。所述的材料生产方法的基本缺点是使用高压(高达20kbar)用于形成测量介电常数的样品。专利技术概述本专利技术公开提供了具有以下通式(I)的可电极化化合物：核心1为芳香多环共轭分子，其具有二维平面形式，并且在柱状超分子中，通过pi-pi堆垛进行自组装；R1为与芳香多环共轭分子(核心1)连接的电子供体基团，而R1’为与芳香多环共轭分子(核心1)连接的电子受体基团；m为受体基团R1的数量，m’为供体基团R’的数量，m和m’等于0,1,2,3,4,5或6，其中m和m’不能都等于0；R2为包含一个或多个离子基团的取代基，其中所述的离子基团得自在离子液体中使用的一类离子化合物，该离子化合物与芳香多环共轭分子(核心1)直接连接，或者通过连接基团连接；p为离子基团R2的数量，其等于0,1,2,3或4。标记为NLE的包含核心1(具有至少一个基团R1和/或R1’)的片段具有非线性极化作用。核心2为导电低聚物，并且导电低聚物的数量n等于0,2或4。R3为包含一个或多个离子基团的取代基，其中所述的离子基团得自在离子溶液中使用的一类离子化合物，该离子化合物与导电低聚物(核心2)直接连接，或者通过连接基团连接；s为离子基团R3的数量，其等于0,1,2,3或4。R4为电阻取代基，其提供有机化合物在溶剂中的溶解性，并且使得柱状超分子彼此之间是电绝缘的，该取代基与芳香多环共轭分子(核心1)和/或导电低聚物(核心2)直接连接或者通过连接基团连接。参数k为取代基R4的数量，其等于0,1,2,3,4,5,6,7或8。在一个方面中，本专利技术公开提供包含有机溶剂和至少一种公开的可电极化化合物的溶液。在另一个方面中，本专利技术公开提供了晶体超电介质层，其包含上文公开的可电极化化合物的混合物。将包含芳香多环共轭分子(具有至少一个基团R1)的非线性可极化片段放置于由电阻取代基R4形成的电阻电介质包络中，从而提供有机化合物在溶剂中的溶解性，并且使柱状超分子彼此电绝缘。在另一个方面中，本专利技术提供元电容器，其包含两个彼此平行设置的金属电极，并且其可以是卷起的或者平面和平坦的，并且所述的超电介质层位于所述的电极之间，其中所述的超电介质层包含所公开的可电极化的一种或多种类型。包含芳香多环共轭分子(具有至少一个基团R1)、导电低聚物、离子基团(其具有电子和/或离子型极化率)的非线性可极化片段被放置于由电阻取代基形成的电阻电介质包络中，从而提供有机化合物在溶剂中的溶解性，并且使柱状超分子彼此电绝缘。参考文献的引入本说明书中提及的所有公开、专利和专利申请均以引用方式并入本文，如同每一份单独的公开、专利或专利申请特定地且单独地表明以引用方式并入本文的程度。附图简述图1A示意性地示出根据本专利技术公开的方面，具有平面且平坦的电极的电容器。图1B示意性地示出根据本专利技术公开的另一个方面，具有卷起(环状)电极的电容器。专利技术详述尽管本专利技术已经示出并描述本专利技术的多个实施方案，但是对于本领域那些技术人员而言显而易见的是此类实施方案仅以实例的方式提供。本领域的那些技术人员在不脱离本专利技术的情况下可以形成多种改变、变化和替代。应该理解的是可以使用本专利技术所述的本专利技术的实施方案的多个备选方案。本专利技术公开提供可电极化的化合物。在芳香多环共轭分子(核心1)中存在亲电子基团(受体)和亲核基团(供体)会促进电子密度在共轭分子中不均匀的分布：一个位置处电子过剩(在供体区)，在其他位置处电子缺乏(在受体区)。外部电场沿着共轭分子对电子密度的不均匀分布的影响导致感应极化Pind。在一般情况下，感应极化为局部电场Eloc强度的非线性函数。在假设弱非线性的情况下，当可能将受激极化的几个成员分解成局部电场强度的一系列时，可以写出以下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有下列通式(I)的可电极化化合物：

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.04 US 15/090,509;2016.05.24 US 15/163,5951.一种具有下列通式(I)的可电极化化合物：其中核心1为芳香多环共轭分子，其具有二维平面形式，并且在柱状超分子中，通过pi-pi堆垛进行自组装；R1为与所述的芳香多环共轭分子(核心1)连接的电子供体基团，而R1’为与所述的芳香多环共轭分子(核心1)连接的电子受体基团；m为受体基团R1的数量，m’为供体基团R’的数量，m和m’等于0,1,2,3,4,5或6，其中m和m’不能都等于0；R2为包含一个或多个离子基团的取代基，其中所述的离子基团得自在离子液体中使用的一类离子化合物，该离子化合物与所述的芳香多环共轭分子(核心1)直接连接，或者通过连接基团连接；p为离子基团R2的数量，其等于0,1,2,3或4；其中标记为NLE的包含核心1的片段具有非线性极化作用，其中所述的核心1具有至少一个基团R1和/或R1’；其中核心2为导电低聚物，并且该导电低聚物的数量n等于0,2或4，R3为包含一个或多个离子基团的取代基，其中所述的离子基团得自在离子溶液中使用的一类离子化合物，该离子化合物与所述的导电低聚物(核心2)直接连接，或者通过连接基团连接；s为所述的离子基团R3的数量，其等于0,1,2,3或4；其中R4为电阻取代基，其提供有机化合物在溶剂中的溶解性，并且使得所述的柱状超分子彼此之间是电绝缘的，该取代基与所述的芳香多环共轭分子(核心1)和/或所述的导电低聚物(核心2)直接连接或者通过连接基团连接，k为取代基R4的数量，其等于0,1,2,3,4,5,6,7或8。2.权利要求1所述的可电极化的化合物，其中所述的芳香多环共轭分子(核心1)包含一个或多个萘嵌苯片段。3.权利要求2所述的可电极化的化合物，其中所述的一个或多个萘嵌苯片段与一个或多个苯基基团、和/或一个或多个萘基基团和/或一个或多个蒽基基团共轭。4.根据权利要求2所述的可电极化的化合物，其中所述的萘嵌苯片段选自结构1至12：5.根据权利要求1所述的可电极化的化合物，其中所述的受体基团(R1’)选自-NO2,-NH3+和-NR3+(季铵盐),抗衡离子Cl-或Br-,-CHO(醛基),-CRO(酮基),-SO3H(磺酸),-SO3R(磺酸酯),SO2NH2(磺酰胺),-COOH(羧酸),-COOR(酯,得自羧酸侧),-COCl(羧酸氯化物),-CONH2(酰胺,得自羧酸侧),-CF3,-CCl3,-CN,–C(CN)2,其中R为选自以下列表的自由基：烷基(甲基,乙基,异丙基,叔丁基,新戊基,环己基等),烯丙基(-CH2-CH＝CH2),苄基(-CH2C6H5)基团,苯基(+取代的苯基)和其他芳基(芳香)基团。6.根据权利要求1所述的可电极化的化合物，其中供体基团(R1)选自-O-(苯氧化物,例如-ONa或-OK),-NH2,-NHR,-NR2,-OH,-OR(醚),-NHCOR(酰胺,得自酰胺侧),-OCOR(酯,得自醇侧),烷基,-C6H5,乙烯基,其中R为选自以下列表的自由基：烷基(甲基,乙基,异丙基,叔丁基,新戊基,环己基等),烯丙基(-CH2-CH＝CH2),苄基(-CH2C6H5)基团,苯基(+取代的苯基)和其他芳基(芳香)基团。7.根据权利要求1所述的可电极化的化合物，其中所述的至少一个连接基团选自包含以下结构的列表：13-23，其中X为氢(H)或烷基基团：8.根据权利要求1所述的可电极化的化合物，其中所述的至少一个连接基团选自CH2,CF2,SiR2O,CH2CH2O，其中R选自包含H、烷基和氟的列表。9.根据权利要求1所述的可电极化的化合物，其中所述的至少一个连接基团选自结构24至29：10.根据权利要求1所述的可电极化的化合物，其中所述的电阻取代基R4选自烷基、芳基、取代的烷基、取代的芳基、氟化的烷基、氯化的烷基、支化的且复合的烷基、支化的且复合的氟化烷基、支化的且复合的氯化烷基基团、和它们的任意的组合。11.根据权利要求10所述的可电极化的化合物，其中所述的烷基基团选自甲基、乙基、丙基、正丁基、异丁基和叔丁基基团，并且所述的芳基基团选自苯基、苄基和萘基基团或硅氧烷，和/或聚乙二醇作为线性或支化的链。12.根据权利要求1所述的可电极化的化合物，其中所述的电阻取代基R4为CXQ2X+1，其中X≥1，并且Q为氢(H)、氟(F)或氯(Cl)。13.权利要求1所述的可电极化的化合物，其中所述的芳香多环共轭分子(核心1)以及所述的基团R1和R1’形成非中心对称的分子结构。14.权利要求1所述的可电极化的化合物，其中所述的芳香多环共轭分子(核心1)、所述的基团R1和R1’、以及所述的电阻取代基(R4)形成非中心对称的分子结构。15.权利要求1所述的可电极化的化合物，其具有所述的以下通式(II)：其中所述的核心1为所述的芳香多环共轭分子，电阻取代基R4为所述的化合物II的非共轭部分，并且为单环或稠合的多...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·I·拉扎列夫，P·T·富路达，B·K·莎普，李炎，I·S·G·凯利摩根，
申请(专利权)人：电容器科学股份公司，
类型：发明
国别省市：美国,US