Novel metal insulator metal capacitors based on electrosprayed colloidal nanoparticles
Authors:   , Véliz Noboa Bremnen Marino 
Published: August 2023

This work develops a novel capacitor device based on the use of nanotechnology. The device starts from the exiting metal-insulator-metal (MIM) concept, but instead of a continuous insulator layer, dielectric nanoparticles are used. Nanoparticles are mainly of silicon oxide (silica) and polystyrene (PS) and the diameter values are 255nm and 295nm respectively. The nanoparticles contribute to a very high surface to volume ratio and are easily available at low cost. The deposition technique developed in this work is the electrospray, which is a bottom-up fabrication technology that allows batch processing and achieves a good compromise between large area and low deposition time. With the objective of increasing the deposit surface, the electrospray set-up has been tuned to allow deposition areas from 1cm2 to 25cm2.
The fabricated devices, the so called nanoparticles metal insulator metal (NP-MIM) capacitors, offer higher capacitance values than a similar conventional capacitor with a continuous insulator layer. In the case of silica NP-MIMs, a factor as high as 1000 of capacitance enhancement is achieved, whereas polystyrene NP-MIMs has capacitance gain of 11. In addition, silica NP-MIMs show capacitive behaviours in a certain frequency range which depends on the humidity and thickness of the nanoparticles layer, while polystyrene MIMs always maintain their capacitive behaviour.
The fabricated devices have been characterized by scanning electron microscopy (SEM) measurements complemented with focusing ion beam (FIB) drilling to characterise the topography of the NP-MIMs. The devices have also been characterized by impedance spectroscopy measurements, at different temperatures and humidifies. The origin of the enhanced capacitance is associated in part to humidity in the nanoparticles interfaces. A circuital model based on distributed elements has been developed to fit and predict the electrical behaviour of the NP-MIMs.
In summary, this thesis shows the design, fabrication, characterization and modelling of a new promising nanoparticles metal-insulator-metal capacitor that may pave the way to the development of a novel MIM-supercapacitor technology.
Este trabajo desarrolla un novedoso dispositivo condensador basado en el uso de la nanotecnología. El dispositivo parte del concepto existente de metal-aislador-metal (MIM), pero en lugar de una capa aislante continua, se utilizan nanopartículas dieléctricas. Las nanopartículas son principalmente de óxido de silicio (sílice) y poliestireno (PS) y los valores de diámetro son 255nm y 295nm respectivamente. Las nanopartículas contribuyen a una alta relación superficie/volumen y están fácilmente disponibles a bajo costo. La técnica de depósito desarrollada en este trabajo es el electrospray, que es una tecnología de fabricación ascendente (bottom-up) que permite el procesamiento por lotes y logra un buen compromiso entre una gran superficie y un bajo tiempo de depósito. Con el objetivo de aumentar la superficie de depósito, la configuración de electrospray ha sido ajustada para permitir áreas de depósito de 1cm2 a 25cm2. El dispositivo fabricado, los llamados condensadores de metal aislante de nanopartículas (NP-MIM) ofrecen valores de capacitancia más altos que un condensador convencional similar con una capa aislante continua. En el caso de los NP-MIM de sílice, se alcanza un factor de hasta 1000 de mejora de la capacidad, mientras que los NP-MIM de poliestireno tienen una ganancia de capacidad de 11. Además, los NP-MIM de sílice muestran comportamientos capacitivos en un cierto rango de frecuencias que depende de la humedad y el grosor de la capa de nanopartículas, mientras que los MIM de poliestireno siempre mantienen su comportamiento capacitivo. Los dispositivos fabricados se han caracterizado por mediciones de microscopía electrónica de barrido (SEM) complementadas con perforaciones de haz de iones de enfoque (FIB) para caracterizar la topografía de los NP-MIMs. Los dispositivos también se han caracterizado por mediciones de espectroscopia de impedancia, a diferentes temperaturas y humedades. El origen de la capacitancia aumentada está asociado en parte a la humedad en las interfaces de las nanopartículas. Se ha desarrollado un modelo de un circuito basado en elementos distribuidos para ajustar y predecir el comportamiento eléctrico de los NP-MIMs. En resumen, esta tesis muestra el diseño, fabricación, caracterización y modelización de un nuevo y prometedor condensador nanopartículas metal-aislante-metal que puede allanar el camino para el desarrollo de una nueva tecnología de supercondensadores MIM.