【摘要】：為了將器件有效地集成并更高效地輸出能量，微型超級(jí)電容器應(yīng)運(yùn)而生，并引起了許多人的注意。其中微型超級(jí)電容器由于其較高的比表面積和較短的離子傳輸通道，有望成為下一代的微型能量存儲(chǔ)器件。碳材料由于其較高的比表面積和良好的導(dǎo)電性，常被用于超級(jí)電容器的制作。在碳基微型超級(jí)電容器的制作中，常用的有噴墨打印、氣相沉積和電鍍等工藝。這些工藝存在著制作成本高、制作流程復(fù)雜、不能方便有效地對(duì)所制作的碳基微電極進(jìn)行修飾改性等問題。與之相比，光刻工藝由于其便于得到精細(xì)的電極構(gòu)型，且與當(dāng)今的微加工技術(shù)可完全兼容，因而被廣泛使用。此外，光刻中用到的光刻膠還能直接碳化成多孔的碳材料，作為微型超級(jí)電容器的電極材料，從而可簡(jiǎn)化微型超級(jí)電容器的制作過程，降低制作成本。

本文通過對(duì)SU-8 1060光刻膠曝光后在混入了活性物質(zhì)(多壁碳納米管、酸化多壁碳納米管和還原氧化石墨烯等)的丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)中顯影，得到了表面負(fù)載了活性物質(zhì)的光刻膠圖案。隨后在900oC氮?dú)鈿夥障聦?duì)光刻膠進(jìn)行熱解碳化，得到了表面修飾后的碳基微電極，并與1 M PVA/H_2SO_4電解液一同組裝成全固態(tài)微型超級(jí)電容器。

實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果如下:

1.向PGMEA中分別加入多壁碳納米管、硝酸酸化多壁碳納米管和還原氧化石墨烯，經(jīng)超聲后均得到了分散良好的溶液，且24小時(shí)后亦分散良好。隨后將曝光后的光刻膠在這些溶液中顯影，均能得到表面被活性物質(zhì)修飾的圖案化光刻膠。經(jīng)熱解碳化，可制得表面修飾的碳基微電極并組裝了高性能微型超級(jí)電容器。這種工藝極大的縮短了器件的制作周期，降低了制作成本。

2.通過系統(tǒng)的材料表征，發(fā)現(xiàn)熱解碳具有無定形多孔結(jié)構(gòu)，孔徑大小不一。利用混合顯影液對(duì)SU-8負(fù)膠進(jìn)行顯影，能夠有效地將活性物質(zhì)負(fù)載于微電極表面。多壁碳納米管修飾后的微電極表面的多壁碳納米管形成了一種類似網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，且部分多壁碳納米管嵌入到熱解碳內(nèi)部。還原氧化石墨烯修飾的熱解碳微電極表面的還原氧化石墨烯獨(dú)立地分散在熱解碳電極表面，部分還原氧化石墨烯嵌入到熱解碳電極材料之中。

根據(jù)電化學(xué)測(cè)試結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管修飾的熱解碳微電極微型超級(jí)電容器，面積比電容為4.8 mF·cm~(-2)(10 mV·s~(-1))，而未經(jīng)活性物質(zhì)修飾的熱解碳微電極微型超級(jí)電容器，面積比電容為3.52mF·cm~(-2)(10 mV·s~(-1))。未經(jīng)修飾前，熱解碳微型超級(jí)電容器的最大能量密度為2.08 mW·cm~(-3)(功率密度0.094 W·cm~(-3))，最大功率密度為1.41 W·cm~(-3)(能量密度為0.62 mWh·cm~(-3));經(jīng)多壁碳納米管修飾后，微型超級(jí)電容器的最大能量密度為2.85 mWh·cm~(-3)(功率密度為0.123 W·cm~(-3))，最大功率密度為1.98 W·cm~(-3)(能量密度0.88 mWh·cm~(-3))。

3.碳基微型超級(jí)電容器的這種性能上的提高主要?dú)w因于經(jīng)多壁碳納米管修飾后，微電極的比表面積提高，能夠在充電時(shí)吸附更多的離子，提高雙電層電容，使得面積比容量和能量密度均得到提高。同時(shí)，微電極在被高電導(dǎo)多壁碳納米管修飾后，導(dǎo)電性也得到了提高，有利于載流子的快速傳輸，從而提高其功率密度。