专利摘要
本发明一般性地涉及电气工程和电子学。更详细地说，本发明涉及电子电路的无源器件，更详细地说，涉及旨在用于储存能量的电容器及其生产方法。
权利要求
1.一种电容器，其特征在于，包括：
第一电极；
第二电极；
配置在所述第一和第二电极之间的分子材料的介电层，其中
所述电极是平坦和平面的，并且配置得相互平行，用以下的一般公式描述该分子材料：
Dp-(核心)-Hq (I)
其中，核心是可极化的导电非等轴核心，具有共轭的π-体系，其特征在于其纵轴，
D和H是绝缘取代基，
p和q是对应的D和H取代基的个数，
其中所述取代基附着到可极化的非等轴核心的顶点位置，p和q独立地取值为1、2、3、4、5。
2.根据权利要求1所述的电容器，其特征在于，
至少一个绝缘基团D和至少一个绝缘基团H各自独立地选自烷基、氟化烷基、氯化烷基、支化和复合烷基、支化和复合氟化烷基、支化和复合氯化烷基、它们的任意组合。
3.根据权利要求1所述的电容器，其特征在于，
非等轴核心基于π-π相互作用形成导电堆叠体，绝缘取代基形成环绕所述堆叠体的绝缘子层，其中，相邻的非等轴核心的纵轴之间形成扭转角α，所述扭转角的范围为0°≤α≤90°，堆叠体中的所述核心之间的距离为0.34±0.1nm。
4.根据权利要求3所述的电容器，其特征在于，
非等轴核心形成扭转的导电堆叠体，其中，所述扭转角的范围为0°＜α≤90°。
5.根据权利要求4所述的电容器，其特征在于，
分子材料的介电层具有六方晶体结构。
6.根据权利要求3所述的电容器，其特征在于，
非等轴核心形成导电堆叠体，其中，所述扭转角α等于0，非等轴核心的纵轴与电极垂直。
7.根据权利要求6所述的电容器，其特征在于，
分子材料的介电层具有薄层状晶体结构。
8.根据权利要求7所述的电容器，其特征在于，
所述可极化非等轴核心至少在一个方向上具有平移周期性和对称性。
9.根据权利要求1所述的电容器，其特征在于，
可极化非等轴核心是导电低聚物，该导电低聚物基于π-π相互作用形成分子堆叠体。
10.根据权利要求9所述的电容器，其特征在于，
上述导电低聚物选自以下的结构公式1-7：
其中，n＝2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、或12。
11.根据权利要求1所述的电容器，其特征在于，
所述电极由Pt、Cu、Al、Ag、或Au构成。
12.根据权利要求1所述的电容器，其特征在于，
具有两个由铜构成的电极、作为可极化非等轴核心的聚苯胺(PANI)，和作为绝缘取代基的氟化烷基取代基。
13.一种电容器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)准备作为一个电极的导电基底；
b)将分子材料施加到基底上；
c)形成分子材料的固态层；
d)在固态分子材料层上形成第二电极，其中
用以下的一般公式描述该分子材料，
Dp-(核心)-Hq(I)
其中，核心是可极化的导电非等轴核心，具有共轭的π-体系，其特征在于其纵轴，
D和H是绝缘取代基，
p和q是对应的D和H取代基的个数，
其中所述取代基附着到可极化的非等轴核心的顶点位置，p和q独立地取值为1、2、3、4、5。
14.根据权利要求13所述的电容器的制造方法，其特征在于，
至少一个绝缘基D和H独立地选自包括烷基、氟化烷基、氯化烷基、支化和复合烷基、支化和复合氟化烷基、支化和复合氯化烷基、它们的任意组合的列表。
15.根据权利要求13所述的电容器的制造方法，其特征在于，
施加步骤(b)包括：施加分子材料的溶液，形成固态层的步骤(c)包括进行干燥而形成固态分子材料层。
16.根据权利要求13所述的电容器的制造方法，其特征在于，
施加步骤(b)包括：施加分子材料的熔化物，形成固态层的步骤(c)包括：进行冷却而形成固态分子材料层。
说明书
交叉引用
本申请要求于2014年5月12日提交的美国临时申请第61/991871号的权益，其通过引用整体并入本文中。
技术领域
本发明一般性地涉及电子电路的无源部件，更详细地说，涉及旨在用于储能的电容器及其生产方法。
背景技术
电容器是一种无源电子部件，其用于储存静电场形式的能量，包括被介电层分隔的一对电极。在两个电极之间存在电势差时，在介电层中存在电场。该电场储存能量，理想的电容器的特征在于单一的固定电容值，其是每个电极上的电荷与电极之间的电势差之比。实际上，少量的泄漏电流会流过电极之间的该介电层。电极和引线产生等效的串联电阻，介电层对引起击穿电压的电场强度具有限制。最简单的储能器件由被介电常数为ε的介电层分隔的两个平行电极组成，每个电极具有面积S并且相互分开距离d。电极被认为均匀地扩展为面积S，可以用以下的公式表示表面电荷密度：±ρ＝±Q/S。由于电极的宽度比间隔(距离)d大很多，因而接近电容器中心的电场是均匀的，量级E＝ρ/ε。电压定义为电极之间的电场的线性积分。理想的电容器的特征在于：由以下公式(1)定义固定电容量C，
C＝Q/V (1)
其表明面积越大则电容量越大，而距离越大则电容量越小。因此，用高介电常数的材料制作的器件具有最大的电容量。
被称为击穿强度Ebd的特征电场是使电容器中的介电层变得导电的电场。这时产生的电压被称为器件的击穿电压，由电极之间的介电强度和间隔的乘积给出。
Vbd＝Ebdd (2)
电容器所储存的最大体积能量密度受限于与～ε·E2bd成正比的值，其中，ε是介电常数，Ebd是击穿电场强度。因此，为了提高电容所储存的能量，必须提高电介质的介电常数ε和击穿强度Ebd。
在高电压应用下，必须使用更大的电容。有一些因素可以显著地降低击穿电压。在这些应用中导电电极的几何形状是重要的。特别地，尖锐的边缘或尖端局部地极大提高电场强度并且能够导致局部击穿。一旦在任意一点开始局部击穿，则击穿会很快地“铺满”整个介电层，直到到达相反电极而引起短路。
一般如下地产生介电层的击穿。电场的强度变得高到从介电材料的原子释放电子，使它们将电流从一个电极传导到另一个电极。在半导体器件中会观察到存在于电介质中的杂质或结晶结构的缺陷能够造成雪崩击穿。
介电材料的另一个重要的特征是其介电常数。不同种类的电介质材料被用于电容器，包括不同类型的陶瓷、聚合物膜、纸、以及电解质电容器。最广泛使用的聚合物膜材料是聚丙烯和聚脂。提高介电常数使得能够提高体积能量密度，这使其为一个重要的技术课题。
用在磺化十二烷基苯(DBSA)存在下的聚丙烯酸(PAA)的水分散体中的苯胺的原位聚合合成了一种超高介电常数的聚苯胺复合材料，PANI-DBSA/PAA(参见Chao-Hsien Hoa等，“High dielectric constant polyaniline/poly(acrylic acid)composites prepared by in situ polymerization”，Synthetic Metals 158(2008)，pp.630 637)。水溶性PAA起到聚合物稳定剂的作用，保护PANI颗粒不会宏观聚集。包含30％重量的PANI的复合材料获得非常高的介电常数约2.0*105(1kHz时)。研究了PANI含量对复合材料的形态学上的、电介质的、电气特性的影响。在频率范围0.5kHz～10MHz下，分析了介电常数的频率依赖性、介电损耗、损耗因数、电模量。SEM扫描电镜图显示出由很多纳米级的PANI颗粒组成的高PANI含量(即20％重量)的复合材料均匀分布在PAA基质中。高介电常数是由于PANI颗粒的小电容的总和。该材料的缺点是有可能在电场下出现至少一个连续导电路径的渗透和形成，并且在电场增加的情况下，这种情形有概率会增加。在穿过相邻的导电PANI颗粒的至少一个连续路径(途径)形成于电容器的电极之间时，会降低该电容器的击穿电压。
通过一种简单的基于溶液的自组装方法来制造掺杂了苯胺低聚物的单晶(参见Yue Wang等，“Morphological and Dimensional Control via Hierarchical Assembly of Doped Oligoaniline Single Crystals”，J.Am.Chem.Soc.2012，134，pp.9251-9262)。详细的机械学研究表明在诸如一维(1-D)的纳米纤维那样的结构能够聚合为高等级结构的地方，可以通过“自底向上”的分层组装来生产不同形态和维数的晶体。通过控制晶体的成核以及掺杂的低聚物之间的非共价相互作用，能够得到各种各样的结晶纳米结构，包括一维的纳米纤维和纳米线、二维的纳米带和纳米片、三维的纳米板、层叠片、纳米花、多孔网、空心球、绞线圈。这些纳米级的晶体与它们的体相对应物相比显示出较强的导电性以及令人感兴趣的结构性能关系例如形状依赖性的结晶度。进而，吸收研究表明通过监控分子溶剂相互作用，能够很大地预测这些结构的形态和维数并使其合理化。通过使用掺杂的四价苯胺作为模型系统，本文所述的结果和策略提供一种对有机材料的形状和大小的控制的普通方法。
已知一种基于多层结构的能量储存器件。该能量储存器件包括第一和第二电极、包含阻断层和介电层的多层结构。第一阻断层被配置在第一电极和介电层之间，第二阻断层被配置在第二电极和介电层之间。第一和第二阻断层的介电常数都单独地大于介电层的介电常数。图1表示一种示例性的设计，其包括电极1和2、具有由介电材料(3、4、5)构成并被阻断材料的层(6、7、8、9)分隔的多层结构。阻断层6和9被对应地配置在电极1和2的附近，其特征在于介电常数高于介电材料的介电常数。该器件的缺点在于与电极直接接触的高介电常数的阻断层可能导致能量储存器件的破坏。基于复合材料并且包含可极化颗粒(例如PANI颗粒)的高介电常数的材料有可能出现渗透现象。所形成的层的多晶结构在晶粒之间的边界具有多个复杂的化学键。在所使用的高介电常数的材料具有多晶结构时，有可能沿着晶粒的边界发生渗透。已知的器件的另一个缺点是对所有层进行真空沉积是一个昂贵的制造工序。
电容器作为能量储存器件相对于电化学能量储存设备例如电池具有公知的优点。与电池相比，电容器能够以非常高的功率密度即充电/再充电速率来储存能量，具有长生命期而很少退化，并且能够充电和放电(周期性)数十万或数百万次。然而，电容器经常并不如电池那样小体积或轻重量地、或者低能量储存成本地储存能量，使得电容器对于一些应用，例如电动汽车不实用。因此，需要一种能量储存技术的改进来提供更高体积和质量能量储存密度、以及较低成本的电容器。
本发明所要解决的问题是：进一步提高电容器所储备的能量的体积和质量密度，同时降低材料和制造工序的成本。
发明内容
本发明的实施方式提供一种电容器，其包括第一电极、第二电极、配置在上述第一和第二电极之间的分子材料的介电层。上述电极是平坦和平面的，并且配置得相互平行。用以下的一般公式描述该分子材料：
Dp-(核心)-Hq，(I)
其中，核心是可极化的导电非等轴核心，具有共轭的π-体系，其特征在于其纵轴，D和H是绝缘取代基，p和q是对应的D和H取代基的个数。绝缘取代基附着于可极化的非等轴核心的顶点位置，p和q独立地取值为1、2、3、4、5。
一种电容器的制造方法，包括以下步骤：(a)准备作为一个电极的导电基底；(b)将分子材料施加到基底上；(c)在基底上形成固态层的分子材料层；(d)在固态的分子材料层上形成第二电极，其中，用以下的一般公式描述该分子材料，
Dp-(核心)-Hq (I)
其中，核心是导电并且可极化的非等轴核心，具有共轭的π-体系，其特征在于其纵轴，D和H是绝缘取代基，p和q是对应的D和H取代基的个数。绝缘取代基附着于可极化的非等轴核心的顶点位置，p和q独立地取值为1、2、3、4、5。
附图说明
图1是表示能量储存器件的示意图。
图2是表示本发明的一个实施方式的分子材料的单分子的示意图。
图3是表示本发明的一个实施方式所公开的分子材料的介电层具有六方晶体结构的电容器的示意图。其插图是表示扭转导电堆叠体的形成的示意图。
图4是表示本发明的一个实施方式的分子材料的介电层的示意图，其中导电堆叠体形成为扭转角等于0。
图5是表示本发明的一个实施方式所公开的分子材料的介电层具有薄层结构的电容器的示意图。
具体实施方式
已进行了本发明的一般描述，通过参照以下的具体优选实施方式能够进一步了解本发明，但其只是说明而并不限定所附权利要求的范围。
本发明提供如以上说明的那样的电容器。所示电容器具备第一电极、第二电极、配置在上述第一和第二电极之间的分子材料的介电层。上述电极是平坦和平面的，并且配置得相互平行。用以下的一般公式描述该分子材料的分子(在图2中示意地表示)：
Dp-(核心)-Hq (I)
其中，核心10是可极化的导电非等轴核心，具有共轭的π-体系，其特征在于具有纵轴、绝缘取代基D和H11，p和q是对应的取代基D和H的个数。绝缘取代基附着于可极化的非等轴核心的顶点位置，p和q独立地取值为1、2、3、4、5。
非等轴核心是厚度不超过0.34±0.01nm、不规则大小的平坦分子系统。其特征可以在于纵轴为沿着核心的长度方向的轴。
在所示电容器的一个实施方式中，至少一个绝缘基D和至少一个绝缘基H独立地选自包括烷基、氟化烷基、氯化烷基、支化和复合烷基、支化和复合氟化烷基、支化和复合氯化烷基、和它们的组合的列表。
在所示电容器的一个实施方式中，非等轴核心基于π-π-相互作用而形成导电堆叠体，绝缘取代基形成包围上述堆叠体的绝缘子层。相邻的非等轴核心的纵轴形成扭转角α，上述扭转角的范围是0°≤α≤90°，堆叠体中的核心之间的距离为0.34±0.01nm。
根据器件的应用，用绝缘取代基形成的绝缘子层材料的介电常数εins可以处于宽的范围；在大多数实施方式中，其范围为大约2到25。绝缘子层材料的特征为具有大于4eV的带隙。该绝缘子层的特征在于击穿电场强度的范围为大约0.01V/nm到10V/nm。由于非等轴核心的高可极化性，与绝缘子层的介电常数εins相比，导电分子堆叠体具有较高的介电常数εcor。因此，该导电可极化堆叠体具有比绝缘子层的介电常数εins高10-100000倍的介电常数εcor。因此，绝缘子层的电场强度Eins和导电可极化分子堆叠体的电场强度Ecor满足以下的公式：
Ecor＝(εins/εcor)·Eins (1)
电场强度Ecor比电场强度Eins小很多，并且施加到能量储存器件的电压分布在绝缘子层上。为了提高能量储存器件的工作电压，必须增加绝缘子层的个数。
在本发明的一个实施方式中，非等轴核心形成扭转导电堆叠体，其中，相邻的非等轴核心的纵轴(图3的插图中的虚线)以扭转角α扭转。在另一个实施方式中，介电层具有六方晶体结构。
在图3的示意图中，电容器包括两个电极13和14、具有被绝缘子层16环绕的各向异性扭转堆叠体12的介电层15。术语“六方结构”是指介电层的分子材料结构具有扭转的导电堆叠体。介电层的特征在于：相互平行的致密堆叠的扭转堆叠体。这些堆叠体在它们的平面法线上的投影形成具有六方对称性的二维结构。
在所示电容器的一个实施方式中，非等轴核心形成扭转角等于0的导电堆叠体。一个堆叠体中的非等轴核心的纵轴相互平行，并且垂直于上述电极的表面。图4示意性地表示由非等轴核心形成的堆叠体12和由绝缘取代基形成的绝缘子层16。绝缘取代基形成了导电堆叠体之间的绝缘子层，也形成了导电堆叠体和电极之间的绝缘子层。绝缘取代基的另一个作用是提高分子材料中的功函数。功函数是从导电堆叠体的表面移除电子所需要的能量的最低值。
在另一个实施方式中，分子材料具有薄层状晶体结构。薄层状结构或微观结构由不同材料、和/或不同结构和/或性能的区域的交替的细小层(子层)构成，例如如在薄层状聚乙烯中的那样。在本发明中，导电堆叠体的细小层与绝缘取代基的非结晶子层相交替。图5表示本发明的一个实施方式的具有介电层的薄层状结构的电容器。该电容器包括2个电极13和14、包括形成有可极化非等轴核心的导电堆叠体12的细小层的介电层15、各向同性的绝缘子层16。
所示电容器的分子材料的可极化非等轴核心可以至少在一个方向上具有平移的周期性和对称性。平移对称性是一种对称类型，所考虑的系统的性能在被称为平移向量的一定向量上位移时不会变化，而晶体在全部三个方向上具有平移对称性。
在本发明的一个实施方式中，可极化非等轴核心是包含具有共轭的π-体系的单体的导电低聚物，导电低聚物基于π-π相互作用而形成分子堆叠体，堆叠体布置为与平面电极的表面平行。在本发明的一个实施方式中，导电低聚物选自包括与表1所给出的结构1～7中之一对应的以下结构公式的列表。
表1.导电低聚物的例子
其中，n＝2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、或12。
所示的电容器的电极可以由任意的适合材料构成，包括但不限于Pt、Cu、Al、Ag、或Au。
在一些实施方式中，可以用各种制造方法生产该电容器，一般包括以下步骤：a)准备用作一个电极的导电基板；b)在基板上施加分子材料；c)在基板上形成固态分子材料层；d)在固态分子材料层上形成第二电极，其中，用以下的一般公式描述分子材料：
Dp-(核心)-Hq (I)
其中，核心10是可极化导电非等轴核心，具有共轭的π-体系，其特征在于其纵轴，D和H是绝缘取代基，p和q是对应的取代基D和H的个数。绝缘取代基附着于可极化非等轴核心的顶点位置，p和q独立地取值为1、2、3、4、5。
在所述方法的一个实施方式中，至少一个绝缘基团D和至少一个绝缘基团H独立地选自包括烷基、氟化烷基、氯化烷基、支化的配位烷基、支化的配位氟化烷基、支化的配位氯化烷基、它们的任意组合的列表。
在所述方法的一个实施方式中，施加步骤b)包括：施加分子材料的溶液，固态层的形成步骤c)包括进行干燥而形成固态分子材料层。
在所述方法的另一个实施方式中，施加步骤b)包括：施加分子材料的熔化物，固态层的形成步骤c)包括：进行冷却而形成固态分子材料层。
为了能够更容易理解本发明，参照以下的实施例，以下实施例旨在说明本发明，但并不旨在限制范围。
实施例1
实施例1表示具有由薄层状结构的固态分子材料形成的介电层的电容器，如图5所示。
该电容器包括两个电极13和14、具有由可极化非等轴核心形成的导电非等轴堆叠体12的介电层15、各向同性的绝缘子层16。使用聚苯胺(PANI)作为可极化非等轴核心，使用氟化烷基取代基作为绝缘取代基。由聚苯胺(PANI)形成的导电非等轴堆叠体具有等于10000的介电常数εcor。由取代基形成的每个绝缘子层的厚度大致为dins＝2nm，绝缘子层nins的个数等于500。电极13和14由铜构成。绝缘子层的介电常数等于2.2(即εins＝2.2)，其击穿电压等于1V/nm。电容器的工作电压不超过大致等于1000V的击穿电压Vbd。虽然已经参照具体优选实施方式详细说明了本发明，但本技术领域的普通技术人员将理解能够在不脱离权利要求的思想和范围的情况下对本发明进行各种修改和改进。
电容器及其制造方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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