Titlu Proiect: Soluții de stocare a energiei în medii ostile cu supercapacitori fabricați în SiC nanostructurat
Energy storage solutions in hostile environments with supercapacitors manufactured in nanostructured SiC
Acronim: SuperSiC
Tip proiect: PNCDI IV - Program 5.8 - Cooperare Europeană și Internațională/ Proiecte de mobilitate
Contract nr. 14BMFR ⁄ 2024
Domeniu stiintific: Clima, energie și mobilitate
Durata proiectului: 26/08/2024 - 31/12/2025.
Buget: 37.000 lei
Instituția gazdă (coordonatoare) a proiectului din România:: Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Microtehnologie – IMT Bucureşti (www.imt.ro)
Director proiect: Dr. Razvan PASCU (razvan.pascu@imt.ro)
Instituția gazdă (coordonatoare) a partenerului străin: Lumière, nanomatériaux, nanotechnologies (L2n) - Université de Technologie de Troyes
Coordonator de proiect partener străin: Dr. Mihai Lazar
Autoritate contractantă: Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării – UEFISCDI (www.uefiscdi.gov.ro)

Proiectul SuperSiC urmărește dezvoltarea unor dispozitive de tip supercapacitor miniaturizat pe bază de carbură de siliciu (SiC) nanostructurată pentru utilizarea în domenii prioritare, cum ar fi industria vehiculelor electrice. Se vor dezvolta diferite metode de nanostructurare la suprafață a substratului de SiC cu scopul obținerii unor electrozi cu arie specifică mare, al căror rol este esențial în realizarea dispozitivelor. Se dorește obținerea unor noi structuri de stocare a energiei capabile să funcționeze la temperature ridicate, respectiv în medii mai puțin prietenoase (medii corozive, vibrații puternice, etc) și să prezinte capabilități de operare mult superioare în raport cu dispozitivele uzuale.

 Obiectivul proiectului este obținerea unei surse rapide de energie pentru diverse circuite/dispozitive electronice, capabile să functioneze în medii mai puțin prietenoase, în special la temperaturi extreme.obținerea unei surse rapide de energie pentru diverse circuite/dispozitive electronice, capabile să functioneze în medii mai puțin prietenoase, în special la temperaturi extreme.

Rezultatele estimate

• Tehnici inovative de fabricație a unui substrat de SiC nanostructurat;
• Heterostructuri capabile să furnizeze o capacitate specifică mare, respectiv o rezistență serie echivalentă mică;
• Un sistem pe SiC (colector de curent/electrozi/electrolit) capabil să funcționeze ca un supercapacitor solid miniaturizat cu proprietăți superioare în ceea ce privește stabilitatea de ciclare în medii mai puțin prietenoase

Rezultate obtinute

Proiectul a avut ca scop dezvoltarea unor electrozi poroși din carbură de siliciu (SiC) printr-un proces electrochimic cu cost redus și reproductibil, având ca obiectiv dezvoltarea unor supercapacitori de înaltă performanță capabile să funcționeze în medii ostile. Astfel, echipa proiectului a propus diverse metode de porozificare pentru substratul de SiC dopat de tip n si a caracterizat din punct de vedere morfologic structura electrozilor poroși obținuți. De asemenea atentia echipei a fost indreptata si catre proiectarea unui concept de încapsulare adecvat arhitecturilor planare cu electrolit apos. Rezultatele obținute reprezintă baza tehnologică pentru fabricarea ulterioară a dispozitivelor de tip supercapacitor.
Grad de noutate și elemente de inovație
Noutatea principală constă în dezvoltarea unei proceduri simplificate și cu cost redus de porozificare pentru electrozii de SiC de tip n, utilizând soluție apoasă de KOH în regim de curent constant, obținându-se o porozitate controlată. Spre deosebire de metodele clasice de procesare a SiC, care implică temperaturi ridicate, protocoale complexe de dopare sau tratamente asistate UV, metoda optimizata propusă de echipa proiectului SuperSiC permite activarea suprafeței cu un număr minim de etape suplimentare.
Un element suplimentar de noutate îl reprezintă răspunsul morfologic dual (Figura 1) observat la curenți mai mari (50 mA), unde suprafața terminată în carbon începe să prezinte semne de porozificare, deschizând astfel posibilitatea unor geometrii plan–paralel cu un număr redus de electrozi.
Sistemul de încapsulare proiectat în cadrul proiectului introduce o strategie de expunere selectivă a ariei active la electroliți apoși, combinând contactul electric, protecția mecanică și controlul zonei umectate.

Figura 1. a. Imagine SEM a electrodului de SiC porozificat la 50 mA, fața de Si b. Imagine SEM a electrodului de SiC porozificat la 50 mA, fața de C

Contribuții științifice și tehnice

1. Fabricarea electrozilor:
• Dezvoltarea a două regimuri de porozificare (30 mA și 50 mA, 5 min), care conduc la distribuții distincte ale porilor.
• Identificarea mecanismelor dependente de curent, inclusiv apariția reacțiilor la aproximativ 6 V și 9 V, interpretate prin analize I–V și derivatele acestora.
• Demonstrarea unei uniformități sporite a porilor și a unei pătrunderi mai adânci a electrolitului la curenți mai mari.
2. Caracterizare morfologică și structurală:
• Imagistică SEM a suprafețelor de SiC.
• Profilare în adâncime care evidențiază regiuni extinse de porozitate în matricea de SiC.
• Observarea unor filme superficiale pe fața terminată în carbon și posibila lor implicare în reacții secundare.
3. Analiză electrochimică:
• Măsurători I–V în aer și în electrolit de KOH, confirmând comportamentul de tip Schottky și pragurile de reacție dependente de mediu.
• Identificarea mai multor etape de reacție corespunzătoare oxidării, formării de SiO₂ și SiO₃²⁻, conforme mecanismului de porozificare propus.
4. Proiectarea sistemului de încapsulare:
• Dezvoltarea unui concept de încapsulare bazat pe conectori, care asigură expunerea selectivă a ariei active, reținerea electrolitului și accesul electric extern.
• Propunerea unui sistem articulat cu două cadre, permițând asamblarea reproductibilă a dispozitivelor cu electrolit apos.

Elemente de dezvoltare economică
Deși rezultatele obtinute au la baza elemente de cercetare fundamentala solida, tehnologia prezintă un potențial economic semnificativ:

• Costuri reduse de fabricație datorită utilizării electroliților apoși, proceselor la temperatură ambientală și consumului redus de materiale.
• Scalabilitate pentru medii industriale, întrucât metoda evită etapele cu temperatură ridicată sau tratamentele UV.
• Aplicabilitate în domenii de nișă ce necesită stocare de energie robustă (electronica pentru temperaturi ridicate, senzori în medii corozive, monitorizare industrială).
• Potențial pentru viitoare brevete, licențieri și transfer tehnologic, în special privind conceptul de încapsulare și metoda de fabricare a SiC poros.

Impactul preconizat
Impact științific:

• Oferă o înțelegere nouă asupra mecanismelor de porozificare a SiC în regim de curent constant și mediu apos.
• Furnizează date comparative rare privind comportamentul suprafețelor terminate în Si versus C sub stres electrochimic.
• Deschide direcții neexplorate pentru arhitecturi hibride de electrozi.

Impact tehnic:

• Stabilește o metodă controlată și reproductibilă pentru fabricarea electrozilor poroși din SiC.
• Generează principii de design pre-validate pentru încapsularea cu electrolit apos în supercondensatoare planare.

Impact economic:

• Pune bazele pentru componente de stocare a energiei cu cost redus și durabilitate ridicată, adecvate pentru medii ostile.
• Susține colaborări viitoare cu parteneri industriali interesați de electronică pentru condiții extreme.

Impact social:

• Contribuie la domenii tehnologice relevante pentru eficiență energetică, reziliență industrială și infrastructură electronică sustenabilă.
• Consolidează cooperarea științifică bilaterală România–Franța, facilitând mobilitatea și transferul de cunoaștere.

2 lucrari stiintifice publicate in Proceedings indexat ISI:
1. R. Pascu, G. Pristavu, C. Romanitan, F. Draghici, G. Brezeanu, „High-k dielectric-stack pairing in SiC MOS devices”, IEEE CAS Proceedings 2025, pp. 125 - 128, 2025.
2. M. Stoian, I.-N. Bratosin, C. Romanitan, G. Craciun, E. Vuillermet, E. Usureau, N. Bercu, M. Lazar, R.  Pascu, „SiC porosification technique based on electrochemical etching process”, IEEE CAS Proceedings 2025, pp. 269 - 272, 2025.
4 participari la conferinte internationale: 1 prezentare orala invitata, 2 prezentari orale si 1 poster.
1. R. Pascu, „Alternative MOS oxides for SiC technology”, prezentare orala invitata, Congrès Général de la Société Française de Physique, 30 iunie – 4 iulie 2025, Troyes, Franta.
2. M. Stoian, I.-N. Bratosin, C. Romanitan, G. Craciun, E. Vuillermet, E. Usureau, N. Bercu, M. Lazar, R.  Pascu, „SiC porosification technique based on electrochemical etching process”, IEEE CAS Proceedings 2025, pp. 269 - 272, 2025.
3. R. Pascu, G. Pristavu, C. Romanitan, F. Draghici, G. Brezeanu, „High-k dielectric-stack pairing in SiC MOS devices”, prezentare orala, International Semiconductor Conference (CAS), 7 – 11 Octombrie 2025, Sinaia, Romania.
4. M. Stoian, I.-N. Bratosin, C. Romanitan, G. Craciun, R. Pascu, E. Vuillermet, E. Usureau, N. Bercu, A. Gokarna, M. Lazar, prezentare orala, „Mise en place d’un processus de gravure électrochimique pour la fabrication d’électrodes de supercondensateurs en SiC poreux”, SYMPOSIUM DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE FRANCOPHONE 4eme édition EN EUROPE CENTRALE ET ORIENTALE, Université „Alexandru loan Cuza" de laşi Les 30 et 31 octobre 2025.