ЕМКОСТНЫЕ СВОЙСТВА КОНДЕНСАТОРНОЙ СТРУКТУРЫ С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И ОРТОФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ

ним повышенный интерес. Большая удельная площадь поверхности УНС также является одним из ключевых факторов, влияющих на выбор УНС в качестве материала для изготовления электродов суперконденсаторов [5 - 9].

Цель настоящей работы - разработка способа повышения удельной емкости конденсатора с двойным электрическим слоем с использованием массива углеродных на-нотрубок, сформированных методом химического осаждения из газовой фазы, стимулированного плазмой (ХОГФ СП).

Эксперимент. Для изготовления образцов использовались окисленные подложки кремния с малым удельным сопротивлением. Подложки прошли стандартную предварительную отмывку в растворе Каро (H2SO4:H2O2=1:1), после чего промывались в деионизованной воде и сушились в парах изопропилового спирта. Затем на подложки наносился адгезионный слой титана толщиной 50 нм и каталитический слой никеля толщиной 5 нм для роста многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ). Металлические слои наносились методом магнетронного распыления мишеней металлов в атмосфере аргона при остаточном давлении в камере 5 10_5 Торр, давлении аргона 710 Торр при комнатной температуре. Далее на подложках методом ХОГФ СП в установке Plasmalab System 100 фирмы Oxford Instruments выращивались МУНТ. Рост углеродных нанотрубок осуществлялся в потоке этилена с добавлением аммиака NH3 при температуре 650 °С. Синтез проводился после проведения предварительных отжигов, требуемых для формирования капель катализатора определенного размера. Для улучшения адгезии и качества массива применялась триодная система с управляющим электродом из нержавеющей сетки, на которую подавалось смещение -100 В во время синтеза.

Поверхность образцов исследовалась с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ). Электрофизические параметры конденсаторных структур определялись на измерительном стенде, позволяющем получать емкостные характеристики образцов, скорости их заряда-разряда, а также изменения напряжения на обкладках конденсаторов с течением времени при многократном заряде-разряде полученных структур.

Образцы суперконденсаторов имеют следующую структуру: коллектор _ МУНТ-электрод _ электролит _ бумажный сепаратор _ электролит _ МУНТ-электрод _ коллектор. Габаритная площадь поверхности конденсатора равна 5 см2, зазор между обкладками составляет 50 мкм. Далее такие структуры заряжались и разряжались при различных сопротивлениях нагрузки, при этом происходила запись изменения разности потенциалов на обкладках конденсатора. Далее по полученным кривым заряда-разряда проводился расчет емкости. Известно, что заряд на конденсаторе при его разряде изменяется по экспоненциальному закону. По такому же закону изменяется и напряжение на конденсаторе:

t t U = q = е"^ = и e ™,

C C 0

где U0 _ напряжение в начальный момент времени.

Для расчета емкости конденсатора используется формула

C = -At

RA ln U°

U

Измерения проводились на экспериментальной установке, электрическая схема которой представлена на рис.1. Представленная измерительная ячейка позволяет измерять изменение напряжения на обкладках конденсатора с течением времени при его заряде-рязряде, а также в режиме сохранения заряда. При этом скорость заряда-разряда можно изменять, включая в цепь нагрузку разного номинала. Для зарядки конденсаторов использовался источник питания Б5-49, который позволял изменять напряжения зарядки.

Рис.1. Электрическая схема стенда измерения емкости конденсаторов

Изменение напряжения на обкладках конденсатора отслеживалось с помощью электронного самописца ПНСК-Э183, подключенного к ПК.

Результаты и обсуждение. На рис.2 представлены РЭМ-фотографии синтезированных структур. Видно, что массив МУНТ имеет высоту порядка 13 мкм. Диаметр на-нотрубок составляет в среднем 25-35 нм. Данный массив представляет собой материал, состоящий из отдельно стоящих МУНТ, практически не соприкасающихся друг с другом. Таким образом, полученная структура имеет большую площадь поверхности, что и требуется для создания эффективных конденсаторных структур большой емкости.

После формирования массива МУНТ изготовлены конденсаторные структуры и измерена их емкость и скорость разряда. В качестве электролита использовалась деио-низованная вода и ортофосфорная кислота. Напряжение заряда конденсаторов составляло 2,5 В.

Кривая разряда конденсатора, в котором электролитом является деионизованная вода, представляет собой классическую экспоненциальную зависимость напряжения на обкладках конденсатора в зависимости от времени (рис.3,а). Емкость данной структуры в соответствии с экспериментом составляет 3,64 мФ.

Рис.3. Зависимость напряжения на электродах от времени: а - электроды на основе МУНТ и воды в качестве электролита; б - электроды на основе МУНТ и ортофосфорной кислоты в качестве

электролита

Для сравнения изготовлены конденсаторные структуры с плоскими электродами. В качестве электролита использовалась деионизованная вода. Расстояние между обкладками составляло 50 мкм. В этом случае кривая разряда также носит экспоненциальный характер. Расчетная емкость составляет 5 мкФ.

Следует отметить, что расчет емкости плоского конденсатора с площадью обкладки 5 см2, расстоянием между обкладками 50 мкм и диэлектрической проницаемостью 8 = 81 дает значение 7,17-10 Ф, что в 1000 раз меньше экспериментального. Смоделированное увеличение удельной площади поверхности за счет МУНТ с размерами, соответствующими показанным на рис.2, дает значение 2 мкФ, что в 1000 раз меньше экспериментальных измерений. Подобное расхождение расчета с экспериментальными измерениями может быть связано с процессами электролитической диссоциации воды (растворение примесей и диссоциация). Удельная емкость для конденсатора с деиони-зованной водой в качестве электролита и углеродными нанотрубками в качестве основы электродов составляет 2,8 Ф/г, а в пересчете на единицу площади -0,728 мФ/см2.

В случае использования ортофосфорной кислоты в качестве электролита емкость конденсатора с аналогичной структурой на основе углеродных нанотрубок резко возрастает. При этом зависимость напряжения на электродах от времени (рис.3,б) имеет достаточно протяженный линейный участок во временном диапазоне от 50 до 450 с, в котором изменение напряжения происходит от 450 до 300 мВ, и через нагрузочное сопротивление течет почти неизменный по величине электрический ток (100 мкА). Подобный характер зависимости напоминает разрядку аккумулятора (не конденсатора).

Экспериментальное значение емкости конденсатора составляет 150,5 мФ. Для определения удельных значений проведен перерасчет емкости конденсатора на грамм

вещества электрода и на единицу площади. Плотность МУНТ составляет 20 (мкгмкм)/см2, т.е. массив углеродных трубок высотой 1 мкм и площадью 1 см2 будет весить 20 мкг. Высота массива МУНТ составляет 13 мкм. В результате удельная емкость для конденсатора с ортофосфорной кислотой в качестве электролита составила 116 Ф/г, что очень близко к значению, приведенному в работе [10], где получена удельная емкость 115,8 Ф/г для 1 М серной кислоты. Удельная емкость на единицу площади равна 30,2 мФ/см2

Использование в качестве обкладок конденсатора массива углеродных нанотрубок позволяет повысить емкость конденсатора в 10 раз по сравнению с аналогичным конденсатором, но с плоскими электродами (в обоих случаях использовалась деионизован-ная вода в качестве электролита). Замена деионизованной воды на ортофосфорную кислоту позволяет повысить емкость конденсатора в 3 104 раз. Изучение свойств и использование специальных электролитов дает возможность дополнительного существенного увеличения удельной емкости и плотности энергии.

Отметим, что предложенный метод формирования структуры отличается технологичностью и доступностью применяемого оборудования. При росте структур не применяются связующие и электропроводящие добавки, что дополнительно уменьшает общий вес конденсатора. Низкая температура позволяет встроить процесс в технологический маршрут создания интегральных схем.

Устройства с характеристиками, имеющими протяженные линейные участки на кривых разряда, позволят решить проблему, связанную с заменой аккумуляторов на конденсаторные структуры.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-08-12014/12-ОФИ-М) и Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (ГК № 16.513.11.3136) с использованием оборудования ЦКП «Микросистемная техника и электронная компонентная база Национального исследовательского университета МИЭТ».

Литература

1. Halper M.S., Ellenbogen J.C. Supercapacitors: A Brief Overview. - Mitre, 2006. - 41 p.

2. Jayalakshmi M., Balasubramanian K. Simple capacitors to supercapacitors - An overview // Int. J. Electrochem. Sci. - 2008. - Vol. 3. - P. 1196-1217.

3. Boyea J.M., Camacho R.E., Turano S.P., Ready W.J. Carbon nanotube-based supercapacitors: technologies and markets // Nanotechnolohy Law & Business. - 2007. - Vol. 4. - N 1. - P. 585-593.

4. Hui Pan, Jianyi Li, Yuan Ping Feng. Carbon nanotubes for supercapacitor // Nanoscale Res Lett. -

2010. - Vol. 5. - P. 654-668.

5. Chunsheng Du, Ning Pan. Supercapacitors using carbon nanotubes films by electrophoretic deposition // J. of Power Sources. - 2006. - N 160. - P. 1487-1494.

6. Hao Zhang, Gaoping, Yusheng Yang. Supercapacitors Based on 3D Nanostructured Electrodes // Three-Dimensional Nanoachitecture. - 2011. - Chap. 17. - P. 477-521.

7. Activated nitrogen-enriched carbon/carbon aerogel nanocomposites for supercapacitor applications / Qin Chuan-li, Lu Xing, Yin Ge-ping et al. // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. - 2009. - Vol. 19. -P. 738-742.

8. Chunsheng Du, Ning Pan. Supercapacitors using carbon nanotubes films by electrophoretic deposition // J. of Power Sources. - 2006. - N 160. - P. 1487-1494.

9. Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene / Yanwu Zhu et al. // Science. -

2011. - Vol. 332. - N 6037. - P. 1537.

10. Pandolfo A.G., Hollenkamp A.F. Carbon properties and their role in supercapacitors // J. of Power Sources. - 2006. - N 157. - P. 11-27.

Статья поступила 9 августа 2012 г.

Громов Дмитрий Геннадьевич - доктор технических наук, профессор кафедры материалов функциональной электроники (МФЭ) МИЭТ, старший научный сотрудник ООО «Электронные приборы и системы» (г. Москва). Область научных интересов: тонкие пленки, их получение и свойства; материалы и процессы формирования наноструктур, твердофазное взаимодействие, процессы травления, разработка новых систем металлизации кремниевых СБИС.

Галперин Вячеслав Александрович - кандидат технических наук, начальник лаборатории перспективных процессов НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: современные плазменные технологии и системы обработки, технологии микро- и наноэлектроники, солнечная энергетика.

Миронов Андрей Евгеньевич - аспирант кафедры МФЭ МИЭТ, инженер ООО «Электронные приборы и системы» (г. Москва). Область научных интересов: на-ноструктурированные материалы и процессы их формирования, волоконная оптика, нелинейная оптика, волоконные лазеры.

Кицюк Евгений Павлович - младший научный сотрудник НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: поверхность и тонкие пленки, вторичные источники тока, нано- и микроструктуры.

Дубков Сергей Владимирович - стажер-исследователь кафедры МФЭ МИЭТ. Область научных интересов: наноструктурированные материалы и процессы их формирования, углеродные наноструктуры, тонкие пленки.

Лебедев Егор Александрович - младший научный сотрудник кафедры МФЭ МИЭТ. Область научных интересов: материалы и процессы формирования наноструктур. E-mail: dr.beefheart@gmail.com

Смирнов Владимир Витальевич - доктор технических наук, профессор, проректор МИЭТ. Область научных интересов: технология полупроводниковых материалов, исследование свойств материалов и устройств (приборов) на их основе.

Вниманию читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»

Оформить годовую подписку на электронную копию журнала можно на сайтах •Научной Электронной Библиотеки: www.elibrary.ru •Национального цифрового ресурса «Руконт»: WWW.rLlCOnt.ru

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.391.01

Алгоритмы компенсации сосредоточенных по спектру помех для сигналов с ортогональным частотным мультиплексированием

Л.Е. Назаров1, А.С. Зудилин2

1ФИРЭ им.В.А.Котельникова РАН

Приведены описания и результаты моделирования алгоритмов компенсации сосредоточенных по спектру помех применительно к сигналам с ортогональным частотным мультиплексированием (OFDM-сигналы): алгоритма адаптивной компенсации помех во временной области и алгоритма компенсации помех в частотной области.

Ключевые слова: OFDM-сигналы, компенсация помех, сосредоточенные по спектру помехи.

Сигналы с ортогональным частотным мультиплексированием - OFDM-сигналы (orthogonal frequency division multiplexing) - обладают рядом свойств, определяющих перспективность их использования в цифровых системах связи широкого назначения [1,2]. OFDM-сигналы используются для передачи информации по каналам с многолучево-стью в наземных и спутниковых системах и являются базовыми для ряда принятых протоколов: IEEE 802.16 (WiMax), IEEE 802.11 (WiFi), цифровое радиовещание и телевидение, DVB-SH (цифровое спутниковое телевидение). OFDM-сигналы представляют сумму составляющих гармонических сигналов. Это обусловливает эффективность влияния класса сосредоточенных по спектру помех на помехоустойчивость систем передачи информации с использованием данных сигналов. В этот класс входят однотональные и многотональные помехи, эквивалентные нескольким гармоническим сигналам с произвольным размещением в полосе OFDM-сигналов.

Методы снижения эффективности помех основаны на увеличении базы сигналов путем увеличения их длительности либо путем расширения их частотной полосы с использованием псевдослучайных последовательностей (ПСП) [3]. Для защиты OFDM-сигналов от рассматриваемых помех перспективно применение этих методов в сочетании с алгоритмами активной компенсации, используя адаптивные алгоритмы фильтрации во временной области [4,5].

В настоящей работе приведены результаты исследования алгоритма адаптивной компенсации помех во временной области и алгоритма компенсации помех в частотной области для OFDM-сигналов и результаты сравнительного анализа эффективностей этих алгоритмов для компенсации однотональной и двухтональной помех.

© Л.Е. Назаров, А.С. Зудилин, 2013