Elektroda Silikon Porous Lapis Grafen dengan Performa Superkapasitor Luar Biasa
Abstrak
Kami melaporkan elektroda kapasitor lapis ganda elektrokimia (EDLC) berkinerja tinggi yang terdiri dari silikon porus (PSi) yang dilapisi grafen beberapa lapis. Matriks PSi dibuat melalui penggoresan elektrokimia wafer silikon tipe-p, diikuti dengan deposisi uap kimia (CVD) bantu Ni yang secara bersamaan menumbuhkan lapisan grafen konformal dan merekayasa ulang jaringan pori seiring dengan kenaikan suhu anoda. Elektroda silikon porus hibrid yang dioptimalkan menunjukkan kapasitasi areal 6,21 mF cm–2 pada laju pindasan ultra-tinggi 1000 mV s–1 dan stabilitas siklus yang tak terdahulu 131 % setelah 10.000 siklus. Perkenalan mikropori melalui aktivasi KOH pada permukaan grafen lebih meningkatkan luas permukaan spesifik, meningkatkan kapasitasi areal sebesar 31,4 % menjadi 8,16 mF cm–2. Hasil ini menunjukkan platform penyimpanan energi yang kokoh dan berkinerja tinggi yang cocok untuk perangkat mikroelektronik.
Latar Belakang
Elektronik miniatur, termasuk MEMS, mikro-sensor, dan perangkat biomedik implants, membutuhkan sumber daya yang kompak, andal, dan daya tinggi [1,2]. Baterai ion lithium, meskipun padat energi, menderita penuaan dan ketidakstabilan, yang membatasi kesesuaiannya untuk aplikasi jangka panjang [3–6]. Kapasitor lapis ganda elektrokimia (EDLC) menawarkan umur siklus yang lebih baik dan padat daya tinggi karena penyimpanan muatan terjadi pada antarmuka elektroda-elektrolit alih-alih melalui difusi bulk yang lambat [7–10]. Meningkatkan luas permukaan spesifik (SSA) bahan elektroda adalah kunci untuk memaksimalkan performa EDLC.
Silikon, yang melimpah dan murah, telah banyak digunakan dalam elektronik dan fotovoltaik. Silikon porus (PSi) dapat dihasilkan melalui penggoresan elektrokimia, menghasilkan jaringan pori yang dapat dikontrol dengan SSA tinggi [11–14]. Namun, PSi menderita konduktivitas yang buruk dan ketidakstabilan kimiawi karena perangkap permukaan dan reaktivitas tinggi [15–16]. Strategi umum untuk mengatasi masalah ini adalah melapisi PSi dengan bahan yang konduktif dan tahan kimia seperti grafen, yang menawarkan konduktivitas elektronik yang luar biasa, kekuatan mekanis, dan stabilitas kimiawi [17–18]. Metode transfer tradisional tidak dapat melapisi nanostruktur rasio aspek tinggi secara merata; oleh karena itu, pertumbuhan in-situ melalui CVD bantu Ni lebih disukai untuk cakupan konformal.
Sementara EDLC saat ini tertinggal baterai dalam padat energi satu hingga dua urutan magnitudo, mengoptimalkan distribusi ukuran pori dan kimia permukaan dapat meningkatkan SSA hingga 3100 m2 g–1 melalui aktivasi grafen (KOH + C → K + H2 + K2CO3) [20–21]. Dalam karya ini, kami menyajikan studi sistematis elektroda PSi yang dilapisi grafen yang dibuat melalui CVD bantu Ni, menjelajahi pengaruh suhu anoda terhadap rekayasa ulang pori, kualitas grafen, dan performa elektrokimia.
Metode / Eksperimen
Penggoresan Elektrokimia Silikon Porus
Wafer silikon tipe p+ dianodisir terhadap plat titanium (anoda) dalam campuran volume 1:1 asam hidroflorik dan alkohol dehidrasi pada kepadatan arus 1 mA cm–2 selama 10 menit, membentuk lapisan porus tebal ~15 µm. Wafer kemudian dipotong menjadi potongan 2 × 1 cm2 untuk pemrosesan selanjutnya.
CVD Grafen Bantu Ni
Ingot Ni (kebersihan 99,99 %) dan PSi yang telah digores ditempatkan di ujung berlawanan tabung kuarsa. Metana (≈ 50 sccm) diperkenalkan sebagai sumber karbon, dan gas forming yang mengurangi (Ar/H2, 100/20 sccm) mencegah oksidasi Ni. Sistem dipanaskan ke 1000–1100 °c di bawah tekanan 60 Torr, memungkinkan grafen tumbuh secara langsung pada permukaan PSi sementara struktur porus direkayasa ulang.
Karakterisasi
SEM emisi lapangan (JSM-6500F, 15 kV) dan TEM (JEM-3000F, 300 kV) memeriksa morfologi dan mikrostruktur. Spektroskopi Raman (Horiba LabRam HR800, 632,8 nm) menilai kualitas dan keseragaman grafen.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 mengilustrasikan seluruh urutan pembuatan: penggoresan elektrokimia, CVD bantu Ni, dan reorganisasi pori. Gambar SEM (Gambar 2) menunjukkan bahwa anoda pada 1000 °c menjaga jaringan mesopori (~11 nm pori), sementara suhu yang lebih tinggi (1050–1100 °c) menggabungkan pori menjadi struktur hibrid dan makropori (> 50 nm). Sejalan dengan itu, hambatan listrik turun dari 3,3 × 107 Ω (seperti digores) menjadi 22 Ω (1100 °c) karena lapisan grafen yang konduktif.
Spektra Raman (Gambar 3) menunjukkan puncak G, D, dan 2D yang jelas, mengonfirmasi grafen beberapa lapis. Intensitas puncak D berkurang seiring dengan suhu, menunjukkan penyembuhan cacat, dan rasio I2D/IG mencapai puncak pada 1050 °c, menandai kondisi anoda optimal untuk grafen kristalin pada PSi.
Pemetaan Raman penampang meluruskan konfirmasi cakupan grafen yang seragam di seluruh matriks PSi. Gambar TEM mengungkapkan sekitar 10 lapisan grafen yang melingkupi kerangka silikon porus.
Pengujian elektrokimia dalam 0,5 M Na2SO4 (elektrolit netral) menunjukkan bahwa passivasi grafen meningkatkan kapasitansi 2–3 urutan magnitudo. Elektroda PSi porus hibrid mencapai 6,21 mF cm–2 pada 1000 mV s–1, sementara varian mesopori mencapai 8,48 mF cm–2 pada 5 mV s–1 tetapi menurun secara tajam pada laju pindasan tinggi. Sampel makropori mempertahankan 87,5 % kapasitansi pada 1000 mV s–1 karena transportasi ion yang cepat.
Kurva charge-discharge (Gambar 6) menampilkan profil segitiga dengan efisiensi kulomb >90 %. Selama 10.000 siklus pada 100 mV s–1, kapasitansi elektroda hibrid meningkat sebesar 31 %, yang dikaitkan dengan peningkatan basabilitas elektrolit dari oksidasi permukaan.
Perkenalan mikropori (< 5 nm) melalui aktivasi KOH lebih meningkatkan SSA. Setelah perawatan KOH selama 1 menit diikuti dengan pengeringan vakum 30 menit pada 800 °c, kapasitansi areal naik menjadi 8,16 mF cm–2 pada 5 mV s–1 (peningkatan 31,4 %). Pada laju pindasan yang lebih tinggi (> 200 mV s–1), kapasitansi sedikit menurun karena hambatan transfer massa yang meningkat dalam mikropori ultra.
Tabel 1 (tidak ditampilkan) membandingkan hasil ini dengan superkapasitor berbasis silikon lainnya, menyoroti stabilitas siklus yang unggul dari elektroda PSi hibrid yang diaktifkan.
Kesimpulan
Kami telah membuat elektroda silikon porus yang dilapisi grafen dengan struktur porus yang dapat dikontrol melalui CVD bantu Ni. Desain porus hibrid, yang lebih diaktivasi dengan KOH, memberikan kapasitansi areal 8,16 mF cm–2 pada 1000 mV s–1, peningkatan 131 % setelah 10.000 siklus, dan kemampuan laju yang sangat baik. Temuan ini menetapkan PSi porus hibrid yang diaktivasi sebagai platform penyimpanan energi yang menjanjikan, berkinerja tinggi, dan umur panjang untuk aplikasi mikroelektronik.
