ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2025. №12

УДК: 546.28:539.216.2:546.26:546.723-31:621.319.45

ВЛИЯНИЕ ОКСИДА ЖЕЛЕЗА НА ЕМКОСТЬ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ,
ПОКРЫТОГО УГЛЕРОДОМ

Д.М. Коротицкая-Седловец, В.В. Старков

Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН,
142432, Московская область, г. Черноголовка, ул. Ак. Осипьяна, д.6

Статья поступила в редакцию 5 декабря 2025 г.

Аннотация. Пористый кремний (ПК) является перспективным материалом для использования в качестве электродов планарных микроконденсаторов. Пористые слои непосредственно интегрированы в кремниевую пластину и обладают высокой устойчивостью к многократным повторениям циклов заряда-разряда. Морфологически идентичные структуры, кремниевые нанопроволоки, уступают слоям ПК в показателях устойчивости и стабильности, однако превосходят их по значениям емкости. В работе решается актуальная задача повышения емкости ПК за счет нанесения дополнительных покрытий. Экспериментально найдены условия электрохимического осаждения метагидроксидажелеза, отжиг которого приводит к образованию оксида железа (III) на поверхности пористой кремниевой структуры с углеродным покрытием (ПК/С). Кристаллическая структура оксида железа подтверждена с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния. Влияние дополнительного слоя α-Fe₂O₃ на электрохимические свойства ПК/С изучено впервые методами циклической вольтамперометрии, гальваностатического заряда-разряда и спектроскопии электрохимического импеданса. Показано, что электрохимическая емкость электродов увеличивается после нанесения Fe₂O₃. Полученные композиты обладают высокой стабильностью (отсутствуют потери ёмкости после 20000 циклов измерений) и могут применяться в качестве катодов в асимметричных планарных микроконденсаторах. Дальнейшие исследования предполагают измерения в органическом электролите, а также разработку и тестирование ассиметричного устройства с использованием структур ПК/С/Fe₂O₃ в качестве катода.

Ключевые слова: пористый кремний, углеродное покрытие, оксид железа, электрохимическая емкость, планарные микроконденсаторы.

Финансирование: Исследование выполнено в рамках гранта Российского научного фонда (проект № 24-29-00545)

Автор для переписки: Дарья Михайловна Коротицкая-Седловец, sedlovets@iptm.ru

Литература

1. Rowlands S., Latham R., Schlindwein W. Supercapacitor devices using porous silicon electrodes // Ionics. ‒ 1999. ‒ T. 5, № 1-2. ‒ C. 144-149.

2. Ortaboy S., Alper J. P., Rossi F., Bertoni G., Salviati G., Carraro C., Maboudian R. MnOx-decorated carbonized porous silicon nanowire electrodes for high performance supercapacitors // Energy & Environmental Science. ‒ 2017. ‒ T. 10, № 6. ‒ C. 1505-1516. https://doi.org/10.1039/C7EE00977A

3. Sedlovets D. M., Starkov V. V., Ulianova V. V. N-doped graphene-like coating for improved microcapacitance of nanoporous silicon // Materials Science in Semiconductor Processing. ‒ 2025. ‒ T. 198. ‒ C. 109741. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2025.109741

4. Desplobain S., Gautier G., Semai J., Ventura L., Roy M. Investigations on porous silicon as electrode material in electrochemical capacitors // physica status solidi c. ‒ 2007. ‒ T. 4, № 6. ‒ C. 2180-2184. https://doi.org/10.1002/pssc.200674418

5. Grigoras K., Keskinen J., Grönberg L., Ahopelto J., Prunnila M. Coated porous Si for high performance on-chip supercapacitors // Journal of Physics: Conference Series. ‒ T. 557 ‒IOP Publishing, 2014. ‒ C. 012058. http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/557/1/012058

6. Wu T.-H., Chang C.-T., Wang C.-C., Parwaiz S., Lai C.-C., Chen Y.-Z., Lu S.-Y., Chueh Y.-L. Few-layer graphene sheet-passivated porous silicon toward excellent electrochemical double-layer supercapacitor electrode // Nanoscale research letters. ‒ 2018. ‒ T. 13, № 1. ‒ C. 1-9. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2646-7

7. Lu P., Müller L., Hoffmann M., Chen X. Taper silicon nano-scaffold regulated compact integration of 1D nanocarbons for improved on-chip supercapacitor // Nano Energy. ‒ 2017. ‒ T. 41. ‒ C. 618-625. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.10.019

8. Bolotov V., Nesov S., Ponomareva I., Knyazev E., Ivlev K., Stenkin Y. A., Roslikov V. The formation of nanocomposites carbon nanotubes/porous silicon for supercapacitor electrodes // AIP Conference Proceedings. ‒ T. 2310 ‒ AIP Publishing, 2020. https://doi.org/10.1063/5.0034212

9. Thamri S., Raouadi M. Improved capacitance of NiO and nanoporous silicon electrodes for micro-supercapacitor application // Journal of Materials Science: Materials in Engineering. ‒ 2025. ‒ T. 20, № 1. ‒ C. 1. https://doi.org/10.1186/s40712-024-00208-1

10. Lu P., Halvorsen E., Ohlckers P., Müller L., Leopold S., Hoffmann M., Grigoras K., Ahopelto J., Prunnila M., Chen X. Ternary composite Si/TiN/MnO₂ taper nanorod array for on-chip supercapacitor // Electrochimica Acta. ‒ 2017. ‒ T. 248. ‒ C. 397-408. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.07.162

11. Коротицкая-Седловец Д.М., Старков В.В., Ульянова В.В. Электрохимическая емкость композитов на основе пористого кремния, углерода и оксида марганца (IV) // Микроэлектроника. ‒ В печати.

12. Lee J. W., Ko J. M., Kim J.-D. Hydrothermal preparation of nitrogen-doped graphene sheets via hexamethylenetetramine for application as supercapacitor electrodes // Electrochimica Acta. ‒ 2012. ‒ T. 85. ‒ C. 459-466. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.08.070

13. Zhu J., Hu J., Wei L., Liu J., Zheng M. Facile synthesis of MnO₂ grown on nitrogen-doped carbon nanotubes for asymmetric supercapacitors with enhanced electrochemical performance // Journal of Power Sources. ‒ 2018. ‒ T. 393. ‒ C. 135-144. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.05.022

14. Mai L.-Q., Minhas-Khan A., Tian X., Hercule K. M., Zhao Y.-L., Lin X., Xu X. Synergistic interaction between redox-active electrolyte and binder-free functionalized carbon for ultrahigh supercapacitor performance // Nature communications. ‒ 2013. ‒ T. 4, № 1. ‒ C. 2923. https://doi.org/10.1038/ncomms3923

15. Wu M.-S., Lee R.-H. Electrochemical growth of iron oxide thin films with nanorods and nanosheets for capacitors // Journal of The Electrochemical Society. ‒ 2009. ‒ T. 156, № 9. ‒ C. A737. https://doi.org/10.1149/1.3160547

16. Mitina A. A., Yakimov E. E., Knyazev M. A., Korotitsky V. I., Redkin A. N. Binder-Free Fe₂O₃/MWCNT/Al Electrodes for Supercapacitors // Nanomaterials. ‒ 2025. ‒ T. 15, № 16. ‒ C. 1222. https://doi.org/10.3390/nano15161222

17. De Faria D. L., Venâncio Silva S., de Oliveira M. T. Raman microspectroscopy of some iron oxides and oxyhydroxides // Journal of Raman spectroscopy. ‒ 1997. ‒ T. 28, № 11. ‒ C. 873-878. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-4555(199711)28:11<873::AID-JRS177>3.0.CO;2-B

18. Makrides A. Dissolution of iron in sulfuric acid and ferric sulfate solutions // Journal of the Electrochemical Society. ‒ 1960. ‒ T. 107, № 11. ‒ C. 869. https://doi.org/10.1149/1.2427532

19. Esarev I. V., Agafonov D. V., Surovikin Y. V., Nesov S. N., Lavrenov A. V. On the causes of non-linearity of galvanostatic charge curves of electrical double layer capacitors // Electrochimica Acta. ‒ 2021. ‒ T. 390. ‒ C. 138896. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.138896

20. Soam A., Parida K., Kumar R., Dusane R. O. Silicon-MnO2 core-shell nanowires as electrodes for micro-supercapacitor application // Ceramics International. ‒ 2019. ‒ T. 45, № 15. ‒ C. 18914-18923. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.06.127

21. Moulai F., Cherchour N., Messaoudi B., Zerroual L. Electrosynthesis and characterization of nanostructured MnO₂ deposited on stainless steel electrode: a comparative study with commercial EMD // Ionics. ‒ 2017. ‒ T. 23. ‒ C. 453-460. https://doi.org/10.1007/s11581-016-1842-7

22. Dinh K. H., Roussel P., Lethien C. Advances on microsupercapacitors: real fast miniaturized devices toward technological dreams for powering embedded electronics? // ACS omega. ‒ 2023. ‒ T. 8, № 10. ‒ C. 8977-8990. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c07549

23. Alper J. P., Wang S., Rossi F., Salviati G., Yiu N., Carraro C., Maboudian R. Selective ultrathin carbon sheath on porous silicon nanowires: materials for extremely high energy density planar micro-supercapacitors // Nano letters. ‒ 2014. ‒ T. 14, № 4. ‒ C. 1843-1847. https://doi.org/10.1021/nl404609a

Для цитирования:

Коротицкая-Седловец Д.М., Старков В.В. Влияние оксида железа на емкость пористого кремния, покрытого углеродом. // Журнал радиоэлектроники. – 2025. – №. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.12.8