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为解决微型化电力系统中对高容量、宽频率范围电容器的需求，以及超级电容器（SCs）特征频率受限问题，研究人员开展了混合电化学电解电容器（HEEC）设计研究。结果显示，该设计实现了 44kHz 的特征频率和 800μF/cm3 的体积电容密度，对微型化电子系统发展意义重大。
在当今科技飞速发展的时代，便携式和可穿戴电子设备如雨后春笋般涌现，这使得微型化电子系统的需求与日俱增。在微型化电子系统中，传统电解电容器因其介电效应带来的有限电容密度，成为体积最为庞大的组件。而基于双电层（EDL）效应的电化学超级电容器（SCs），虽然具有较高的电容密度且能进行片上制造，但其特征频率通常低于 1Hz，远远无法满足大多数现代电路要求的 10kHz，严重限制了其在高频场景下的应用。为了打破这一困境，来自清华大学集成电路学院和湖南大学半导体学院（集成电路学院）的研究人员展开了深入研究。
他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，具有重要的意义。此次研究不仅揭示了基于 EDL 的 SCs 特征频率的上限，还提出了混合电化学电解电容器（HEEC）的设计，在容量和频率方面实现了双重突破。
研究人员开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。在器件制备方面，采用了标准光刻、物理气相沉积（PVD）、原子层沉积（ALD）和金属剥离等工艺，这些工艺完全兼容标准半导体流程，能够实现晶圆级生产和电路集成。在性能测试方面，使用电化学阻抗谱（EIS）来评估 HEECs 的频率性能，通过在器件上添加小的正弦信号，测量输出的电流和电压，进而计算出测试样品的阻抗。
研究结果主要包括以下几个方面：
- Hybrid design & fabrication（混合设计与制造）：HEEC 的基本理论是将电解电容器的介电行为（高频）与超级电容器的电化学过程（高电容）合理结合。通过实验测量单层石墨烯的电化学阻抗谱，发现其本征特征频率为 6.5kHz，这表明仅依靠优化电极材料和结构难以突破当前的频率瓶颈，因此引入电解电容器和介电过程与 EDL 电容器相结合。在设计过程中，通过调整电极的宽度、间隙以及比例来优化电容密度和离子传输，并改变传统混合设备的布局为平行设计，提高了特征频率。HEEC 的制备共经过 8 个步骤，包括光刻图案化、金属沉积、蚀刻、ALD 生长介质层等，最终实现了晶圆级生产和电路集成。
- Characterization & performance（表征与性能）：对制备的 HEECs 进行了多种表征，如扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、X 射线光电子能谱（XPS）等，证实了器件具有理想的多孔结构、良好的界面性能以及成功的介质层沉积和去除。通过 EIS 测试和数值模拟，研究了 HEECs 的频率性能，结果表明不同比例的 HEECs 在高频应用中都具有出色的特征频率，最高超过 1MHz。同时，研究了电容密度与频率的关系，发现特定比例的 s-HEEC 在低频下具有较大的电容密度且损耗率较慢。此外，还测试了 HEECs 的耗散因子（DF）、长期稳定性和多环境性能，结果显示其在一定频率范围内 DF 较小，具有良好的长期稳定性，但在不同温度下电化学性能会有所变化。通过设计平行连接布局的 p-HEECs，进一步提高了高频性能，其电容密度更高，等效串联电阻（ESR）更小，特征频率最高可达 348kHz，在与其他商业电容器的对比中表现出明显优势。
- Circuit-level demonstrations（电路级演示）：将 p-HEEC1/2与商业铝电解电容器（AEC）连接到整流滤波电路进行测试，结果表明在不同频率输入信号下，p-HEEC1/2的输出电压与 AEC 相当，且在高频下纹波因子（RF）更小，体现了 HEEC 在高频区域的优势。将 p-HEEC1/2与电源管理芯片集成，展示了其在实际电路中的可行性，该紧凑电源模块尺寸仅为 6×4×2mm3，可用于摩擦纳米发电机（TENG）的电源管理。在 PCB 板级降压电路中，用微型 HEEC 替代商业 AEC 进行验证，结果显示二者输出信号相同，但 HEEC 仅占用 AEC 体积的 2%，表明其具有良好的微电子集成性。经过五个月的测试，含 HEEC 的电源管理电路在不同负载和温度条件下仍能稳定工作，纹波因子较小。
研究结论表明，HEEC 设计成功克服了微型电容器的频率限制，实现了高达 44kHz 的特征频率和 800μF/cm3 的体积电容密度。通过将 HEEC 集成到紧凑电源模块并在降压电路中替代商业 AEC，展示了其在电源管理应用中的实用性。这一研究成果为便携式和可集成电子设备的高频电源管理带来了新的突破，为更高效、紧凑的微电子器件发展开辟了广阔前景，有望推动整个微型化电子系统领域的重大变革。
