ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2025, № 12 · ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Влияние оксида железа на емкость пористого кремния, покрытого углеродом

Д.М. Коротицкая-Седловец1, В.В. Старков1

1 Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, Черноголовка
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2025.12.8 УДК 546.28 EDN EHGJTA

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.

  • пористый кремний
  • углеродное покрытие
  • оксид железа
  • электрохимическая емкость
  • планарные микроконденсаторы
Abstract (in English)

The influence of Fe2O3 on the capacitance of carbon-coated porous silicon

Porous silicon (pSi) is a promising material for use in the electrodes of planar microcapacitors. These porous layers are integrated directly into the silicon wafer and exhibit high resistance to repeated charge-discharge cycles. Morphologically identical structures, silicon nanowires, are inferior to pSi layers in terms of stability but surpass them in capacitance. This work addresses the pressing problem of increasing pSi capacitance by additional coating deposition. The conditions for the electrochemical deposition of iron metahydroxide were experimentally determined. Annealing this iron metahydroxide results in the formation of iron (III) oxide on the surface of a carbon-coated pSi structure (pSi/C). Raman spectroscopy confirmed the crystalline structure of the iron oxide. For the first time, the effect of an additional α-Fe₂O₃ layer on the electrochemical properties of pSi/C was studied using cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge, and electrochemical impedance spectroscopy. The results showed that the electrochemical capacitance of the electrodes increased after Fe₂O₃ deposition. The resulting composites are highly stable, with no capacitance loss after 20,000 measurement cycles, and can be used as cathodes in asymmetric planar microcapacitors. Further studies include measurements in an organic electrolyte and the development and testing of an asymmetric device with pSi/C/Fe₂O₃ structures as the cathode.

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

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