【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体器件，涉及多孔氮化镓单晶电极材料及制备方法与应用。
技术介绍
1、随着化石能源的快速消耗，探索高效和清洁的能源存储和转换装置一直是一个重大的挑战。其中向太阳能、风能和水力发电的过渡对于减少化石燃料使用所产生的温室气体排放至关重要。同时，这将带来巨大的经济机遇。这些清洁和可再生能源技术因为它们不能持续生产能源，所以主要依赖于能源存储解决方案。事实上，能源储存在平衡能源需求和保持稳定的能源输出方面发挥着关键作用。近年来，锂离子电池、固态锂电池、超级电容器等电化学储能器件得到了广泛的研究。与电池相比，超级电容器具有优越的循环性能和快速充放电特性，在智能电网组装、电动汽车、应急电源和精密仪器的电子配件等方面具有广泛的应用前景。开发这些储能装置的主要途径是发现性能改进的电极和电解质材料。大量的材料已经被开发为超级电容器的电极材料，但最终根据充放电机制可以分为两大类：赝电容材料和电双层电容材料。赝电容材料通过氧化还原反应储存电荷，然而，大多数赝电容和电池型材料(如金属氧化物、氢氧化物和硫化物)的导电性较差和严重的结构不稳定，如粒子聚集、体积膨胀和结构坍塌。对于电子双层基材料，充/放电是通过静电吸附离子，而不是氧化还原反应，这是一种物理反应。前者导致循环性能不理想，而后者导致电荷转移缓慢，功率密度差。所以，探索一种高稳定性和电化学活性兼容的电极材料至关重要。
2、作为宽禁带半导体的代表，氮化镓广泛应用于航空航天工程，军事，雷达勘测中，由于其优良的结构和化学稳定性、低热膨胀能力和优异的机械强度，在恶劣的工作条件下
3、然而，在目前的研究中，大量的研究停留在氮化镓粉末类材料且制备工艺复杂，氮化镓超高的形成温度和强镓氮键的键能是合成纳米氮化镓材料的主要挑战之一。除此之外，纳米氮化镓材料差的导电性和结构稳定性严重限制了其实际的应用。而n型氮化镓单晶，其本征高的电子迁移率，结构和化学/物理稳定性使其非常有希望成为电化学储能电极材料的候选。但是，高质量完整氮化镓的差的电化学活性是目前阻碍氮化镓单晶作为电极材料应用于高性能储能器件的限制性因素之一。
4、因此为克服现有技术中氮化镓作为储能器件的电极材料的不足，亟待发展一种新的方法以提高氮化镓作为超级电容器电极材料的性能。
技术实现思路
1、本专利技术针对上述问题，基于n型氮化镓单晶的优异性能，提供了一种大功率高稳定性硅掺杂氮化镓电极材料及制备方法和应用。
2、通过表面结构优化，制备表面均匀分布的六方多孔硅掺杂氮化镓单晶。有效提高了电解质离子的可及性并增加了比表面积和活性位点，从而更好地解决电极材料中离子和电子传递差的问题。更重要的是，三维连接的孔道结构为电解液离子/电子提供了快速的迁移和扩散通道，有效减少了在能源存储过程中电极材料与电解液离子/电子的接触电阻。利用硅原子掺杂氮化镓单晶，显著提高了氮化镓单晶本征的载流子迁移率，调节原子内部电子分布，缓解了原始非掺杂氮化镓单晶作为电极材料在储能应用中电导率不理想的难题。高质量硅掺杂多孔氮化镓单晶保留了氮化镓本征的长程有序的结构，表现出理想的机械强度和热稳定性，这使它们有利于广泛应用于储能系统，特别是在高温/高压/化学恶劣的环境。除此之外，其多孔结构能为电化学反应过程提供充足的空间，并能够缓解在大电流冲击下造成的电极材料体积膨胀的问题。该硅掺杂多孔氮化镓单晶可直接作为电极材料应用于超级电容器等储能器件领域，为多孔氮化镓单晶作为下一代高能存储和转换系统的应用提供了一条新的途径。
3、为实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
4、本专利技术提供一种多孔氮化镓单晶电极材料的制备方法，包括以下步骤：
5、(1)用重si掺杂的氮化镓单晶，进行切割；
6、(2)将步骤(1)切割后的氮化镓单晶进行清洗，得到单晶片；
7、(3)将步骤(2)所述单晶片作为工作电极，金属pt片作为对电极，放入刻蚀剂中，外加电压进行电化学反应，得到多孔氮化镓单晶；
8、(4)将步骤(3)所述多孔氮化镓单晶进行清洗、干燥，得到多孔氮化镓单晶电极材料。
9、根据本专利技术优选的，所述步骤(1)中重si掺杂的氮化镓单晶为通过hvpe法生长得到的尺寸2-4英寸，厚度200-500μm的晶圆。
10、根据本专利技术进一步优选的，所述步骤(1)中hvpe法生长的重硅掺杂的氮化镓单晶的硅掺杂浓度为1×1018-1×1020。
11、根据本专利技术优选的，所述步骤(1)中所述切割为单线切割或激光切割，切割后氮化镓单晶的尺寸为10×15mm。
12、根据本专利技术优选的，所述步骤(2)中分别用丙酮、乙醇和去离子水对硅掺杂氮化镓单晶进行清洗，清洗时间依次进行30min。
13、根据本专利技术优选的，所述步骤(3)中刻蚀剂为0.1-0.5m草酸水溶液，刻蚀方式选择恒压腐蚀。
14、根据本专利技术优选的，所述步骤(3)中电化学反应时间为10-35min，所述外加电压为10-30v。
15、根据本专利技术优选的，所述步骤(4)中将清洗后的多孔氮化镓单晶放入真空干燥箱中进行干燥，真空干燥箱中的相对压力为-0.1～-0.001mpa，水氧值均低于0.1ppm，干燥温度为60-80℃。
16、本专利技术还提供由上述方法制备得到的多孔氮化镓单晶电极材料。
17、本专利技术还提供上述多孔氮化镓单晶电极材料在超级电容器中的应用，所述超级电容器由工作电极、对电极、参比电极和电解液组成，所述工作电极由上述方法制备所得的硅掺杂多孔氮化镓单晶电极材料制得，对电极为金属铂电极或者碳电极，参比电极为汞/硫酸亚汞电极，电解液为1m h2so4水溶液。
18、本专利技术与现有技术相比具有以下优点：
19、(1)本专利技术通过简单、高效的方法制备高质量硅掺杂多孔氮化镓单晶。在保留原始氮化镓单晶性的同时，通过多孔结构有效扩大了其比表面积，在电化学存储过程中增加其比容量。
20、(2)本专利技术中多孔氮化镓单晶直接作为工作电极，避免了传统粉末基材料中化学惰性粘结剂的加入，电极制备工艺简便。
21、(3)本专利技术通过硅原子掺杂氮化镓单晶，增加其载流子浓度，克服了原始非掺杂氮化镓单晶电导性能差的缺点，更加有利于电化学能量的存储与转化。
22、(4)本专利技术通过刻蚀使得单晶材料表面均匀分布六方多孔结构，有利于扩大其比表面积，暴露更多的电化学反应位点，有利于在化学反应过程中电解液离子/电子的吸附，作为电极材料有效的增加了超级电容器的能量密度。
23、(5)本专利技术通过刻蚀制备的多孔氮化镓单晶不仅保留了其本征所具有的高度稳定性本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多孔氮化镓单晶电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓单晶电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中重Si掺杂的氮化镓单晶为通过HVPE法生长得到的尺寸2-4英寸，厚度200-500μm的晶圆。
3.根据权利要求2所述的一种多孔氮化镓单晶电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中HVPE法生长的重Si掺杂的氮化镓单晶的硅掺杂浓度为1×1018-1×1020。
4.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓单晶电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述切割为单线切割或激光切割，切割后氮化镓单晶的尺寸为10×15mm。
5.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓单晶电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中分别用丙酮、乙醇和去离子水对氮化镓单晶进行清洗，清洗时间依次进行30min。
6.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓单晶电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中刻蚀剂为0.1-0.5M草酸水溶液，刻蚀方式选择恒压腐蚀。
7.根据权利要
8.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓单晶电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中将清洗后的多孔氮化镓单晶放入真空干燥箱中进行干燥，真空干燥箱中的相对压力为-0.1～-0.001MPa，水氧值均低于0.1ppm，干燥温度为60-80℃。
9.根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的多孔氮化镓单晶电极材料。
10.根据权利要求9所述的多孔氮化镓单晶电极材料在超级电容器中的应用，其特征在于，所述多孔氮化镓单晶电极材料作为超级电容器的工作电极材料；优选的，所述超级电容器的对电极为金属铂电极或者碳电极，参比电极为汞/硫酸亚汞电极，电解液为1M H2SO4水溶液。
...【技术特征摘要】
1.一种多孔氮化镓单晶电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓单晶电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中重si掺杂的氮化镓单晶为通过hvpe法生长得到的尺寸2-4英寸，厚度200-500μm的晶圆。
3.根据权利要求2所述的一种多孔氮化镓单晶电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中hvpe法生长的重si掺杂的氮化镓单晶的硅掺杂浓度为1×1018-1×1020。
4.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓单晶电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述切割为单线切割或激光切割，切割后氮化镓单晶的尺寸为10×15mm。
5.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓单晶电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中分别用丙酮、乙醇和去离子水对氮化镓单晶进行清洗，清洗时间依次进行30min。
6.根据权利要求1所述的一种多孔氮化镓单晶电极材料的制...
【专利技术属性】
技术研发人员：张雷，吕松阳，王守志，俞娇仙，王国栋，徐现刚，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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