Direct patterning processes for high-performance microsupercapacitors

The surge in miniaturized electronic components driven by the Internet of Things (IoT) has prompted an interest in non-traditional energy storage solutions. For these applications, reduction of size while preserving power and energy densities are of great importance. Within this context, planar microsupercapacitors (MSCs) have emerged as strong candidates for energy storage. Their unique two-dimensional structure, rapid charge-discharge capabilities, high power density, and enduring stability make them highly appealing as power units for on-chip integration. However, the intricate nature of MSC fabrication remains a substantial challenge. Conventionally used indirect patterning processes, such as photolithography, are limiting the implementation of novel functional nanomaterials with high charge storing capacities. As a result, other kinds of direct patterning processes can be used to fabricate state-of-the-art MSCs. Recent studies mainly focused on improving the patterning geometry, minimizing electrode dimensions and narrowing the electrode gap to maintain high resolution of MSCs. However, these efforts were made at the expense of process scalability potential and degree of complexity of the fabrication processes. This thesis aims to develop fabrication process flows with emphasis on simplicity and versatility without sacrificing the possibility for large-scale fabrication of MSCs with high-performance. The first part of this thesis describes the implementation of highly scalable inkjet printing process for fabrication of high-performance MSCs. Typically, inkjet printing can be used to deposit thin films of materials. However, to fabricate MSCs with high-performance, the thickness is a crucial parameter that requires scaling up. The contribution of the first work is dealing with overcoming printing limitations by describing a step-like fabrication process that was developed to overcome the limitations of inkjet printing to increase the thickness of the electrode m
Ökningen av miniatyriserade elektroniska komponenter som drivs av Internet of Things (IoT) har väckt ett intresse för icke-traditionella energilagringslösningar. För dessa applikationer är det av stor betydelse att reducerad storlek inte sker på bekostnad av effekt och energitäthet. Inom detta sammanhang har plana mikrosuperkondensatorer (MSC) dykt upp som starka kandidater för energilagring. Deras unika tvådimensionella struktur, snabba laddnings- och urladdningsmöjligheter, höga effekttäthet och varaktiga stabilitet gör dem mycket tilltalande som kraftenheter för integration på chip. MSC-tillverkningens komplexa natur är dock fortfarande en stor utmaning. Konventionellt använda indirekta mönstringsprocesser, såsom fotolitografi, begränsar implementeringen av nya funktionella nanomaterial med hög kapacitet förladdningslagring. Ett resultat av det är att andra direkta mönstringsprocesser kan användas för att tillverka toppmoderna MSC:er. Nyligen genomförda studier har huvudsakligen fokuserat på att förbättra mönstringsgeometrin: minimera elektroddimensioner och minska elektrodgapet för att bibehålla hög upplösning av MSC:er. Dessa förbättringar gjordes dock på bekostnad av processens skalbarhetspotential och ökade graden av komplexitet i tillverkningsprocesserna. Denna avhandling syftar till att utveckla processflöden för tillverkning med betoning på enkelhet och mångsidighet, utan att offra möjligheten för storskalig tillverkning av MSC:er med hög prestanda. Den första delen av denna avhandling beskriver implementeringen av en mycket skalbar process för bläckstråleutskrift för tillverkning av högpresterande MSC:er. Vanligtvis används bläckstråleutskrift för att avsätta tunna filmer av material. För att tillverka högpresterande MSC:er är dock tjockleken en avgörande parameter som kräver uppskalning. Det första arbetet i denna avhandling beskriver en tillverkningsprocess som utvecklades för att överkomma begränsningarna med bläckstråleutskrift för att öka tjockleken
QC 20230908