[发明专利]MoS2纳米薄片双栅场效应晶体管/超级电容器复合器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，具体涉及一种MoS₂纳米薄片双栅场效应晶体管/超级电容器复合器件及其制备方法和原位分析其容量增强机制。

背景技术

层状化合物MoS₂因其较大的范德瓦尔层间距而能够提供较大的比表面积，这有利于能量的存储。在层状MoS₂中能量存储机制主要分为两种，一种是基于双电层的MoS₂表面及每个原子层边缘活性位点的静电吸附。而另外一种则是基于Mo的氧化还原反应，这个过程与RuO₂的能量存储机制非常相似，能够大幅提升材料的储能性能。

尽管MoS₂是一种理想的超级电容器电极材料，但是它的容量却依然受到一定限制，这主要是由于其充放电过程中较低的离子/电子传导速率。因此为了提升MoS₂的电子电导，许多方法被采用，如与石墨烯或导电聚合物等电导率较大的材料复合以及将具有半导体性质的MoS₂的2H相转变成具有金属性质的1T相等。而为了提升MoS₂充放电过程中的离子电导，利于离子较快传导的MoS₂的纳米结构被构筑出来如花状结构的MoS₂。这些方法都能很大程度上改善MoS₂的电容，但是在纳米尺度的MoS₂超级电容器电极中电子和离子的本质输运机制却很少被报道。

传统的超级电容器电极材料中除活性物质外还有一些非活性物质如粘结剂和导电剂，对它进行传统的电化学性能测试并不能直接反映活性材料在充放电过程中本质特性，因此原位分析纳米尺度的MoS₂超级电容器电极材料以获得更细致的电极材料在未来MoS₂电容器的研究中具有广泛意义。

发明内容

本发明的目的针对上述技术问题而提出了一种MoS₂纳米薄片双栅场效应晶体管/超级电容器复合器件的制备方法，并原位分析了其容量增强机制。

为了实现上述目的，MoS₂纳米薄片双栅场效应晶体管/超级电容器复合器件的制备方法，包括如下步骤：

1)将MoS₂纳米薄片正极分散在带有氧化层SiO₂的硅基底上，氧化层SiO₂作为背栅介电层，硅基底作为背栅电极；

2)在所述的MoS₂纳米薄片正极上制作金属源极和漏极，并制作对电极金属作为电容器负极和离子液体顶栅电极；

3)在金属源极和漏极上制作保护层，得到制备好的基片；

4)将离子液体电解液滴涂在基片表面，完成MoS₂纳米薄片双栅场效应晶体管/超级电容器复合器件的组装。

按上述方案，所述的MoS₂纳米薄片为至少一层。

按上述方案，离子液体电解液为下述材料中的一种：KOH、KCl、NaCl、Na₂SO₄或K₂SO₄。

上述任意制备方法所得的MoS₂纳米薄片双栅场效应晶体管/超级电容器复合器件。

本发明的原位分析MoS₂纳米薄片双栅场效应晶体管/超级电容器复合器件的容量增强机制，包括如下步骤：

1)对MoS₂纳米薄片双栅场效应晶体管/超级电容器复合器件在不同的充放电状态下进行原位的电输运性能分析，即在不同离子液体顶栅电极下加不同电压下测试MoS₂纳米薄片场效应输出特性；

2)在背栅电极上加不同的正的栅极电压，对MoS₂纳米薄片双栅场效应晶体管/超级电容器复合器件在不同的充放电状态下进行原位的电输运性能分析，进一步得出该正的栅极电压对MoS₂纳米薄片电导率促进作用和对离子调控作用；

3)在背栅电极上加不同的正的栅极电压，对MoS₂纳米薄片双栅场效应晶体管/超级电容器复合器件在不同的充放电状态下进行电化学性能测试，结合原位的电输运性能分析，得出MoS₂纳米薄片场效应调控容量增强机制；

4)采用场发射扫描电子显微镜对充放电前后的MoS₂纳米薄片分别进行原位形貌表征。