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JP7031891B2 - メモリデバイス及び容量性エネルギー蓄積デバイス - Google Patents

メモリデバイス及び容量性エネルギー蓄積デバイス Download PDF

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Description

関連出願のクロスリファレンス
本願は、米国特許仮出願第６２／４２９６５１号、２０１６年１２月２日出願、及び米国特許仮出願第６２／４５８４２６号、２０１７年２月１３日出願による優先権を主張し、これらの米国特許仮出願の各々は、その全文を参照することによって本明細書に含める。
分野
本発明は、容量性エネルギー蓄積デバイス、及びこのデバイスを使用及び作製する方法の好適例に関するものである。
コンデンサをエネルギー蓄積デバイス及び／またはメモリ記憶デバイスとして使用することは、導電性電極を用いて電気エネルギーを電荷の形で蓄積することを伴う。エネルギー蓄積の方法として、静電コンデンサは、エネルギーを蓄積して放出することができる速度において優れている。一般に、誘電体材料における従来の静電エネルギー蓄積のための充電及び放電メカニズムは、ピコ秒～何百マイクロ秒の時間領域レジメ内である。コンピュータのメモリ記憶デバイス内の容量性素子による電荷の蓄積の利用は、フラッシュメモリ（ＲＯＭ（Read Only Memory：読出し専用メモリ））及びＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory：ダイナミック・ランダムアクセスメモリ）の両方におけるメモリ記憶の大半の基礎となる。
米国特許第８４３２６６３号明細書 米国特許第８９４０８５０号明細書 米国特許第９０１１６２７号明細書 米国特許出願公開第２０１５／０００００９０号明細書 米国特許出願公開第２０１５／００００８３３号明細書 米国特許出願公開第２０１５／０１３１１９８号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０１３９９７４号明細書 米国特許第８６３３２８９号明細書 米国特許出願公開第２０１５／００１７３４２号明細書
"IUPAC Compendium of Chemical Terminology", 2nd ed. (the "Gold Book"), A. D. McNaught and A. Wilkinson編集、Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997) Kooy他、"Nanoscale research Letters 2014"、9:320
複数の容量性素子を含み、エネルギー蓄積及び／またはメモリ記憶デバイスとして使用される多用途性を有する容量性エネルギー蓄積デバイスの必要性が存在する。
容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ：capacitive energy storage device）の好適例を、ＣＥＳＤを作製及び使用する方法と共に開示する。ＣＥＳＤは電極の平面アレイを含み、電極間に空間を有し、このアレイは電極のｎ個のグループを１つ以上の平面内に具え、ここにｎは２以上の整数である。誘電体材料は、電極間の空間を占めて電極に接触し、隣接する電極間に位置する誘電体材料の領域が容量性素子を規定する。
１つの好適例では、ＣＥＳＤが積層ＣＥＳＤであり、上記アレイは間隔をおいた平行な電極のｎ個のグループを具え、これらｎ個のグループは、平行に積層したｎ個の、平行な電極の平面を形成し、各電極は、当該電極が配置された平面に平行な中心軸を有する。各平面内の平行な電極は、隣接する各平面内の平行な電極に対して０～９０°回転させることができる。以上の好適例のいずれか、あるいは全部では、ＣＥＳＤが４つの側端を規定する四角形の形状を有することができ、各電極はＣＥＳＤの側端から突出する端部を有し、ＣＥＳＤは、当該ＣＥＳＤの２つ以上の側端に付加された導体材料をさらに具え、この導体材料は、当該導体材料が付加された側端から突出する電極の端部に接触する。以上の好適例のいずれか、あるいは全部では、電極が、波状の曲線を有するワイヤ（金属線）、あるいは当該ワイヤの全長に沿った周期的な突起を含むワイヤを具えることができる。
独立した好適例では、上記アレイが整列した電極の行を具え、各行は電極のグループを構成する。他の独立した好適例では、上記アレイがスタガード様式（交互）に並んだ電極の行を具え、各行は電極のグループを構成する。独立した好適例では、上記アレイがスタガード様式に並んだ電極の行を具え、各行は、当該行内の電極を１つ以上おきにグループとして直列に接続する行電極相互接続体をさらに具え、スタガード様式に並んだ電極のうち、行電極相互接続体によって接続されない電極のグループは、列電極相互接続体によって列の形に接続され、列電極相互接続体は、スタガード様式に並んだ電極の中心軸からオフセットし、行電気相互接続体が列電極相互接続体と交差する各交点に、垂直方向の空間的隔離が存在する。他の独立した好適例では、上記アレイが電極の行及び列のグリッド（格子）パターンを具え、各行は行グループの電極を具え、これらの電極は複数の列グループの電極と交互し；各行グループは、当該行グループの各電極を直列に接続する行電気相互接続体をさらに具え；各列グループは、当該列グループの電極を直接に接続する列電極相互接続体をさらに具え、行電極相互接続体が列電極相互接続体と交差する各交点に、垂直方向の空間的隔離が存在する。以上の好適例のいずれにおいても、ＣＥＳＤは、(i)行電気相互接続体と列電気相互接続体との間に配置された絶縁層であって、行電気相互接続体が当該絶縁層の上方にあり、列電気相互接続体が当該絶縁層の下方にあるように配置された絶縁層；及び(ii) 上記絶縁層によって、行グループの電極毎に規定されるビア（via）であって、当該電極を行電気相互接続体に接続するビアをさらに具えることができる。
一部の好適例では、ＣＥＳＤが単位セルを具え、この単位セルは、(i)少なくとも多角形の形状を形成し、当該多角形の各頂点に１つの電極がある複数の電極と；(ii)単位セル内の電極の数に等しい数の電気相互接続体であって、各々が当該単位セル内の単一の電極に接続され、２つ以上の当該電気相互接続体の各交点に垂直方向の空間的隔離が存在する電気相互接続体と；(iii)電極間の空間を占める誘電体材料であって、隣接する電極間に位置する誘電体材料の領域が容量性素子を規定する誘電体材料とを具えている。この単位セルは、上記多角形の中心に電極をさらに含むことができる。以上の好適例のいずれか、あるいは全部では、ＣＥＳＤが、交差する電気相互接続体間に配置された絶縁層、及びこの絶縁層によって規定されて、絶縁層の上方にある電気相互接続体を、この電気接続体及び絶縁層の下方にある電極に接続するビアをさらに含むことができる。一部の好適例では、ＣＥＳＤが単位セルのアレイを具えている。２つ以上の単位セル内の対応する位置にあり同一直線上に並ぶ電極どうしは、電気相互接続体により直列に接続することができる。
以上の好適例のいずれか、あるいは全部では、上記電極が、５nm～５mmの、隣接する電極間の中心軸－中心軸の間隔を有することができる。各電極が上記平面に直交する中心軸ＡCを有する上記好適例のいずれか、あるいは全部では、(i)各電極が、この中心軸に沿った５nmから１２０００μmまでの高さを有することができ；(ii)電極のグループ内の各電極が、この中心軸に沿ったほぼ同じ高さを有することができ；(iii)上記アレイ内の各電極が、この中心軸に沿ったほぼ同じ高さを有することができ；または(iv) (i)、(ii)、(iii)の任意の組合せである。
独立した好適例では、ＣＥＳＤが、電極間に空間を有して多重螺旋配列の形に配置された２つ以上の電極を含み、これら２つ以上の電極は互いに交差せず、誘電体材料が電極間の空間を占める。他の独立した好適例では、ＣＥＳＤが、第１電極と；第１電極の周りに螺旋形状に巻回された第２電極であって、第１電極との間に空間が存在する第２電極と；第１電極と第２電極との間の空間を占めて、第１電極及び第２電極に接触する誘電体材料と；任意で、管状の形状を有して第１及び第２電極を包囲する第３電極とを含み、管状の第３電極と第２電極との間に空間が存在し、この空間に誘電体材料が充填され、電極間に位置する誘電体材料の領域が容量性素子を規定する。極性が交互する追加的な層を、任意で、上述したように構成することができる。
他の独立した好適例では、積層ＣＥＳＤが、第１電極と、第１電極と平行な第２電極であって、第１電極から間隔をおき、これにより第１電極との間に空間を形成する第２電極と、第１及び第２電極と平行に配置されて第１電極と第２電極との間の空間を占める、誘電体材料と導体材料とが交互する積層配列とを含む。この積層配列は、ｘ個の誘電体材料層、及びｙ個の導体材料層を含み、ここにｙ＝ｘ－１であり、(i)ｘは２以上の整数であり、(ii)第１の誘電体材料層は第１電極に直接接触し、(iii)誘電体材料の第ｘ層は第２電極に直接接触し；導体材料層は、隣接する各誘電体材料層の対の間に配置される。独立した好適例では、上記積層ＣＥＳＤが管状の積層ＣＥＳＤであり、(i)上記第１電極は、円筒形の形状、内向きの表面、外向きの表面、及び外径を有し；(ii)第２電極は、円筒形の形状、内向きの表面、外向きの表面、及び第１電極の外径よりも大きい内径を有し；(iii)上記積層配列は、第１電極の外向きの表面と第２電極の内向きの表面との間に、誘電体材料層と導体材料層とが同心で交互する形に配置されている。
ＣＥＳＤを作製する方法は、少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込まれるか誘電体材料に接触する電極のアレイを形成するステップを含み、これらの電極間に空間を有し、電極のアレイは、１つ以上の平面内に配置された電極のｎ個のグループを含み、ここにｎは２以上の整数である。１つの好適例では、電極のアレイを形成うぃ、誘電体材料を電極間の空間内に配置する。独立した好適例では、誘電体材料層を形成し、電極を、少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込むか誘電体材料に接触させて電極のアレイを形成する。独立した実施形態では、ＣＥＳＤを作製する方法が、(a)第１電極を用意するステップと；(b)誘電体材料層と導体材料層とが交互する積層配列を、(i)誘電体材料層を第１電極の表面に付加し、(ii)導体材料層を誘電体材料層上に付加し、後続する誘電体材料層を導体材料層上に付加することによって形成するステップと；(c)積層配列の最外層に接触する第２電極を付加するステップとを含み；この方法は、ステップ(ii)及び(iii)を連続的に反復して、誘電体材料層と導体材料層とが交互する追加的な交互層を提供するステップをさらに含むことができ、この追加的な交互層は、誘電体材料層で終端し、これにより上記積層配列は、ｙ個の導体材料層と交互するｘ個の誘電体材料層を含み、ここにｘは２以上の整数であり、ｙ＝ｘ－１である。
開示するＣＥＳＤの好適例は、エネルギー蓄積デバイス及び／またはメモリ記憶デバイスとして有用である。一部の好適例では、ＣＥＳＤを使用する方法が、本明細書中に開示するＣＥＳＤを用意するステップと、隣接する２つの電極間に配置された容量性素子の両端間に電圧を印加するステップであって、この容量性素子は、隣接する電極間に位置する誘電体材料の領域であり、これにより容量性素子を電圧Ｖ１に充電するステップとを含む。一部の好適例では、上記方法が、ＣＥＳＤ、及びこのＣＥＳＤに接続された負荷を含む回路を用意するステップであって、上記容量性素子は電圧Ｖ１に充電されているステップと、放電期間だけ、逆極性の電位を容量性素子の両端間に印加するステップであって、逆極性の電位は、電圧Ｖ１未満であり、かつ容量性素子が高インピーダンス状態で発生する電圧未満であり、これにより容量性素子から負荷へ電力を供給するステップとによって、ＣＥＳＤから負荷にエネルギーを供給するステップをさらに含む。
一部の好適例では、ＣＥＳＤがメモリデバイスであり、上記容量性素子が、当該容量性素子の両端間に印加される電圧によって決まる論理状態を有する。１つの好適例では、ＣＥＳＤを具えたメモリデバイスを使用する方法が、第１グループの電極のうちの１つの電極と、この電極に隣接する、第２グループの電極のうちの１つの電極との間に配置された容量性素子の両端間に電圧を印加することによってメモリデバイスに書き込むステップであって、この容量性素子は、第１グループの上記１つの電極と、この電極に隣接する第２グループの上記１つの電極との間に位置する誘電体材料の領域であり、これにより容量性素子を電圧Ｖ１に充電するステップを含む。この方法は、第１グループの電極に接続された第１電気相互接続体及び第２グループの電極に接続された第２相互接続体の一方を高インピーダンスのセンサに接続し、第１電気相互接続体及び第２電気相互接続体の他方をＶssに接続し、容量性素子の電圧Ｖ１を高インピーダンスのセンサで読み取ることによって、メモリデバイスを読み出すステップをさらに含むことができる。ＣＥＳＤを具えたメモリデバイスは、(i)ＣＥＳＤ内の容量性素子を電圧Ｖ１に充電し、電圧Ｖ１は漏洩により時間と共に少なくとも部分的に放電し；(ii)その後に、容量性素子の静電容量Ｃを測定し；(iii)静電容量Ｃに基づいて電圧Ｖ１を測定し；(iv)容量性素子を電圧Ｖ１に再充電することによってリフレッシュすることができる。
以上の好適例のいずれか、あるいは全部では、上記誘電体材料を、０．５cP以上の粘度を有する流体とすることができる。以上の好適例のいずれか、あるいは全部では、上記誘電体材料を、３．９よりも大きい相対誘電率を有する電子エントロピー誘電体材料とすることができる。以上の好適例のいずれか、あるいは全部では、上記導体材料を、炭素質材料、金属、導電性ポリマー、またはその組合せとすることができる。
本発明の以上及び他の目的、特徴、及び利点は、以下の詳細な説明より一層明らかになり、この詳細な説明は添付した図面を参照しながら進める。
以下の図面中では、特に断りのない限り、要素間の明らかな隙間（例えば、電極と誘電体材料との間の隙間）は明瞭にする目的で示すに過ぎず、実際のデバイスには存在しない。
多層コンデンサの側断面図である。 好適な容量性エネルギー蓄積デバイスの側断面図である。 図２ＡによるＣＥＳＤを２つ積層させて配置した側断面図である。 整列したグリッドパターンの形に配列された電極のアレイを具えたＣＥＳＤの上面図であり、各対角行が電極のグループを構成する。 整列したグリッドパターンの形に配列された電極のアレイを具えたＣＥＳＤの上面図であり、各行が電極のグループを構成する。 スタガード様式に並んだ行の形に配列された電極のアレイを具えたＣＥＳＤの上面図であり、各行が電極のグループを構成する。 オフセットした対角行の形に配列された電極のアレイを具えたＣＥＳＤの上面図であり、各行が電極のグループを構成する。 整列したグリッドパターンの形に配列された電極のアレイを具えたＣＥＳＤの上面図であり、各行は、複数の列グループの電極が１つおきに行グループを構成する電極を含み、各列は複数の行グループの電極が１つおきに列グループを構成する電極を含み；各内側電極は４つの容量性素子によって包囲される。 図７のＣＥＳＤを直線８－８に沿って切断した側断面図である。 整列したグリッドパターンの形に配列された電極のアレイを具えたＣＥＳＤの側断面図であり、各行は、複数の列グループの電極が１つおきに行グループを構成する電極を含み、各列は複数の行グループの電極が１つおきに列グループを構成する電極を含み；行グループと列グループとは、基板または電極の下面とは異なる高さに配置された電気的相互接続体によって接続されている。 図７のＣＥＳＤの、単一の側端の行グループ及び単一の内側の列グループの活性化を示す図であり、これにより単一の容量性素子にアクセスする。 図７のＣＥＳＤの、単一の内側の行グループ及び単一の内側の列グループの活性化を示す図であり、これにより行電極の互いに反対側にある２つの容量性素子にアクセスする。 図７のＣＥＳＤの、単一の内側の行グループ及び単一の内側の列グループの活性化を示す図であり、これにより列電極の互いに反対側にある２つの容量性素子にアクセスする。 スタガード様式に並んだ行の形に配列された電極のアレイを具えたＣＥＳＤの上面図であり、各行は、複数の列グループの電極が１つおきに行グループを構成する電極を含み、各内側電極は４つの容量性素子によって包囲される。 図１３のＣＥＳＤの、単一の内側の行グループ及び単一の内側の列グループの活性化を示す図であり、これにより４つの容量性素子にアクセスする。 スタガード様式に並んだ行の形に配列された六角形電極のアレイを具えたＣＥＳＤの上面図であり、各行が電極のグループを構成する。 多角形単位セル構成の形に配列された複数の電極を具えたＣＥＳＤの上面図である。 複数の、図１６の多角形単位セルを具えたＣＥＳＤの上面図である。 多重螺旋配置の形の２つ以上の電極を具えたＣＥＳＤの上面図である。 ＣＥＳＤ、スイッチングアレイ、及びコントローラを具えたデバイスの簡略化した概略図である。 第１電極、及び第１電極の周りの螺旋形状の形の第２電極を有する好適な管状のＣＥＳＤの透視図である。 第１電極、及び第１電極の周りの螺旋形状の形の第２電極、及び第１及び第２電極を包囲する管状の第３電極を有する好適な管状のＣＥＳＤの透視図である。 図２２Ａ及び２２Ｂは、好適な積層ＣＥＳＤの側断面図（２２Ａ）及び透視図（２２Ｂ）である。 ＣＥＳＤの側面上の封止材料をさらに含む好適な積層ＣＥＳＤの側断面図である。 図２４Ａ～２４Ｃは、平行な電極の複数の層を含む好適な積層ＣＥＳＤの、それぞれ透視図、下面図、及び側断面図であり、所定層内の電極は共通の極性を有し、隣接する層内の電極は逆の極性を有し、各層内の電極は隣接する層内の電極に対して直角に配向されている。 平行な電極の複数の層を含む好適な積層ＣＥＳＤの透視図であり、所定層内の電極は共通の極性を有し、隣接する層内の電極は逆の極性を有し、各層内の平行な電極は、隣接する層内の平行な電極に対して直角に配向しないように回転している。 図２６Ａ～２６Ｄは、平行な電極の複数の層を含む好適な積層ＣＥＳＤの、それぞれ透視図、下面図、及び２つの側断面図であり、所定層内の電極は交互する極性を有し、各層内の電極は隣接する層内の電極に対して直角に配向している。図２６Ｃには、電極の平面オフセットが存在し；図２６Ｄでは、電極が垂直方向に整列している。 図２７Ａ及び２７Ｂは、２本の撚り線電極の平行配置を示し、隣接する電極どうしは同じ極性（２７Ａ）または逆の極性（２７Ｂ）を有する。 図２８Ａ及び２８Ｂは、２本の撚り線電極の逆平行配置を示し、隣接する電極どうしは同じ極性（２８Ａ）または逆の極性（２８Ｂ）を有する。 図２９Ａ及び２９Ｂは、２本の撚り線電極の平行配置を示し、各電極は当該電極の全長に沿った周期的な突起を含み、隣接する電極どうしは同じ極性（２９Ａ）または逆の極性（２９Ｂ）を有する。 図３０Ａ及び３０Ｂは、２本の撚り線電極の逆平行配置を示し、各電極は当該電極の全長に沿った周期的な突起を含み、隣接する電極どうしは同じ極性（３０Ａ）または逆の極性（３０Ｂ）を有する。 円筒形の形状を有する好適な管状の積層ＣＥＳＤの断面図である。 図３１の管状の積層ＣＥＳＤの断面図であり、この管状の積層ＣＥＳＤは、任意である外側の非導電性コーティングをさらに含む。 ＣＥＳＤ内の容量性素子の可能な直列及び並列接続を示す概略図である。 ２つの容量性素子の、複数の好適な直列または並列の組合せを示す図である。 本明細書中に開示するＣＥＳＤを作製する一般的な方法の流れ図である。 交差する電気相互接続を含むＣＥＳＤを作製する一般的な方法の流れ図である。 図２２Ａ及び２２Ｂに示す積層ＣＥＳＤを作製する一般的な方法の流れ図である。 図２４～２６に示す積層ＣＥＳＤを作製する一般的な方法の流れ図である。 図２４～２６に示す積層ＣＥＳＤを作製する他の一般的な方法の流れ図である。 本明細書中に開示するＣＥＳＤを充電する一般的な方法の流れ図である。 本明細書中に開示するＣＥＳＤから負荷へエネルギーを供給する一般的な方法の流れ図である。 本明細書中に開示する積層ＣＥＳＤを充電する一般的な方法の流れ図である。 本明細書中に開示するＣＥＳＤから負荷へエネルギーを供給する一般的な方法の流れ図である。 本明細書中に開示するＣＥＳＤを具えたメモリデバイスに書き込み、このメモリデバイスを読み出す１つの方法を示す流れ図である。 ＣＥＳＤを具えたメモリデバイス内の容量性素子の容量を測定してＣＥＳＤをリフレッシュする１つの方法を示す流れ図である。 メモリデバイス内の容量性素子をＲＯＭモードで読み出す１つの方法を示す流れ図であり、このメモリデバイスはＣＥＳＤを具えている。
詳細な説明
容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）、及びこうしたデバイスを作製する方法、及びこうしたデバイスを用いた使用方法の実施形態を開示する。開示するデバイスの実施形態は、複数の電極及び複数の容量性素子を含む。これらのＣＥＳＤは、エネルギー蓄積デバイス及び／またはＲＯＭメモリ及び／またはＲＡＭメモリとして用いることができる。本明細書中に開示するＣＥＳＤは、以前から知られ製造されているデバイスよりも増加した、電荷を蓄積する能力、及び蓄積した電気エネルギーを放出する能力も有して、より大きいエネルギー密度（単位体積当たりのエネルギー）及び比エネルギー（単位質量当たりのエネルギー）を提供する。
１．定義
以下の用語及び略語の説明は、本発明をより良く説明し、通常の当業者を本発明の実施に導くために提供する。本明細書中に用いる「具える」は「含む」を意味し、単数形は、特に文脈上明らかな断りのない限り、複数の参照を含む。「または／あるいは」は、特に文脈上明らかな断りのない限り、記載した選択肢の要素または２つ以上の要素の組合せのうちの単一の要素を参照する。
特に断りのない限り、本明細書中に用いるすべての技術用語及び科学用語は、本発明が属する分野の通常の当業者が共通して理解する意味と同じ意味を有する。本明細書中に記載するものと類似または等価の方法及び材料を本発明の実施または試験に当たり用いることができるが、以下では適切な方法及び材料を説明する。これらの材料、方法、及び例は例示に過ぎず、限定的であることを意図していない。本発明の他の特徴は、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲より明らかになる。
特に断りのない限り、明細書及び特許請求の範囲中に用いる、成分、電圧、温度、時間、等を表すすべての数値は、「約」によって修飾されるものとして理解するべきである。従って、暗示的にせよ明示的にせよ特に断りのない限り、記載する数値パラメータは概数であり、追求する所望の特性及び／または、通常の当業者に知られている標準的な検査条件／方法の下での検出限界に依存し得る。説明する従来技術から実施形態を直接かつ明示的に区別する際には、実施形態の数値は、「約」を記載しない限り概数ではない。
本発明の種々の実施形態の検討を促進するために、以下の具体的用語の説明を提供する：
アレイ：例えば、行、列、または規則的な反復パターンの規則正しい配列。
静電容量：物体が電荷を蓄積する能力。静電容量は次式：
Figure 0007031891000001
 のように定義され、ここにＱは電荷（クーロン）であり、Ｖは電圧（ボルト）である。静電容量は一般にファラッド単位で表され、ここに１F＝１C/Vである。
容量性素子：本明細書中に用いる「容量性素子」とは、直列接続されていない隣接した２つの電極間に位置する誘電体材料の領域を称する。
ＣＥＳＤ：容量性エネルギー蓄積デバイス。
同一平面上の：「同一平面上の」とは、２つ以上の物体を記述する形容詞であり、各物体は共通の幾何学的平面上に位置する少なくとも１つの表面を有する。従って、単一の平面基板または担体上に配置された電極は同一平面上にある。同様に、共通の絶縁層上に配置された、ほぼ同じ高さの同一平面上の電極上に配置された、及び／または空間内の同じ幾何学的平面を占める電気相互接続体は同一平面上にある。
多重螺旋：本明細書中に用いる「多重螺旋」とは、混ざり合った２つ以上の螺旋を称する。２つ以上の電極の多重螺旋を参照する際には、これらの電極は電気的に独立している（即ち、個別の電極は互いに交差しない）。電極の多重螺旋配置は、例えば、２本のワイヤ電極または線状電極を並べて、２つの電極間に空間を有し、次に、例えば図１８に示すように、これら２つの電極を一緒に、これらの電極が互いに交差しないように螺旋形に配置することによって形成することができる。これらの電極が平面上に多重螺旋をなして配置されている際には、この多重螺旋は平面状である。「多重螺旋」とは、ほぼ円形の、楕円形の、多角形の、あるいは不規則的な螺旋形を有する螺旋を包含する。
誘電体材料：印加された電界によって分極することができる電気絶縁体。
電気相互接続体：複数の電極を直列に接続するために使用される導電線。
電気絶縁材料または絶縁体：絶縁体は、自由に流動しない内部電荷を有する材料であり、従って、この材料は電流を少ししか、あるいは全く導通させない。完全な絶縁体は存在しないことを認識すれば、本明細書中に用いる「電気絶縁材料」とは、主として絶縁性である材料、即ち、コンデンサとしての通常の使用中に材料の両端間に印加される電界を超える閾値の絶縁破壊電界を有し、従って通常の使用中には電気絶縁破壊を回避する材料を称する。
電極：本明細書中に用いる「電極」とは、導電体（例えば、金属）を称し、あるいは、導電体、及びこの導電体の表面上の非導電性材料を具えた「複合」電極を称する。代表的な電極は、金属、電気絶縁された金属、炭化ポリマー、導電性カーボン（炭素）、及び導電性ポリマーを含む。
エントロピー材料：材料のエントロピー変化によりエネルギーを蓄積する材料。一部の例では、エントロピー変化は電気的手段によって推進され、こうした材料は電子エントロピー（登録商標）と称される。他の例では、エントロピー変化は磁界によって推進され、こうした材料は磁気エントロピー（登録商標）材料と称される。エントロピー変化は、原子構造変化、分子構造変化、二次及び／または三次構造変化を含み、例えば、材料内のポリマーの分子間運動、及び／または、荷電分子種または極性分子種の分子間運動である。
グラフェン：六角形格子が反復する形に配列した炭素原子の単一の平面シートで構成される、元素炭素の極めて高導電性の形態。（https://www.merriarn-webster.com/dictionary/graphene）。
黒鉛炭素：黒鉛炭素（グラファイト・カーボン）は、黒鉛の同素形の炭素を含み、構造欠陥の存在及び黒鉛構造の割合とは無関係である。黒鉛炭素は、回折法（”IUPAC Compendium of Chemical Terminology”, 2nd ed. (the “Gold Book”), A. D. McNaught and A. Wilkinson編集、Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997).XMLのオンライン訂正版：http://goldbook.iupac.org(2006-)、M. Nic他作成；更新はA. Jenkins編集。ISBN 0-9678550-9-8。doi:10.1351/goldbook、2014年2月24日更新、バージョン2.3.3）（非特許文献１）によって検出される三次元六方晶の長距離秩序を呈する少なくとも一部の磁区を有する。
黒鉛化炭素：ＩＵＰＡＣによって定義されるように、非黒鉛炭素から黒鉛化加熱処理、即ち、２５００～３３００Kの範囲内の熱処理によって用意される、ほぼ完全な三次元六方晶秩序を有する黒鉛炭素である（同書）。本明細書中に用いる、部分的に黒鉛化された炭素とは、２０重量％から９９重量％まで、例えば５０重量％から９９重量％まで、あるいは８０重量％から９５重量％までの範囲内の黒鉛型構造の含有量を有する黒鉛炭素を称する。
絶縁層／コーティングまたは非導電性層／コーティング：本明細書中に用いる「絶縁層」、「絶縁コーティング」、「非導電性層」、及び「非導電性コーティング」とは、オーム抵抗的導電率の観点から電気絶縁性である材料の層またはコーティングを称し、即ち、この材料は１×１０-1S/m（ジーメンス／メートル）未満のオーム抵抗的導電率を有する。
パリレン：重合ｐ－キシリレン、プラレン（Puralene：登録商標）ポリマー（カーバー・サイエンティフィック社）または重合置換ｐ－キシリレンとしても知られている。ポリ(ｐ－キシリレン)は次の化学式を満足する：
Figure 0007031891000002
誘電率：本明細書中に用いる「誘電率」とは、材料が分極し、これにより、その体積空間の「誘電定数」を真空よりも高い値に変化させる能力を称する。材料の相対誘電率は、次式２中に示すように、その静的誘電定数を真空の誘電定数で除算した測定値である。
Figure 0007031891000003
 ここに、ｅrは相対誘電率、ｅsは測定した誘電率、及びｅ0は真空の誘電率（８．８５４２×１０-12F/m）である。真空は１の相対誘電率を有するのに対し、水は（２０℃で）８０．１の相対誘電率を有し、有機コーティングは一般に３～８の相対誘電率を有する。一般的に言えば、「高誘電率」とは、少なくとも３．３の相対誘電率を有する材料を参照する。本明細書中に用いる「高誘電率」とは、電界中に浸すことのような誘電率増強技術を用いて少なくとも１０％だけ増強させた誘電率を有する材料も参照する。
摂動電荷：電子エントロピー・エネルギー・デバイスに供給される電荷、この電荷は、デバイスの静電容量を変化させずにデバイスの電圧に変化を生じさせるのに有効な大きさを有する。
極性：「極性」とは、原子間で電子が均等に共有されていない、即ち、正電荷の領域と負電荷の領域とが少なくとも部分的に永久に分離されている化合物または化合物内の官能基を参照する。
ポリマー／ポリマー分子：化学反応、即ち重合により形成される、構造単位（例えば、モノマー）が反復する分子。バイオポリマー（生重合体、生物高分子）は、生体、例えばタンパク質、セルロース、またはＤＮＡ（deoxyribonucleic acid：デオキシリボ核酸）内に発生するポリマーである。
ＲＡＭ：ランダムアクセスメモリ。
ＲＯＭ：読出し専用メモリ。
波状の：周期的曲線を有する、蛇行した。
単位セル：本明細書中に用いる「単位セル」とは、ＣＥＳＤを形成するための電極の最小数を参照する。誘電体材料が電極間の空間を占める。
ビア：ビア（または垂直方向の相互接続アクセス）は、層の平面を通過する電気接続体である。本明細書中に用いるビアは、絶縁層を通って延びて電極と導電線との電気接続を行う電気接続体を称する。
Ｖss：電圧源。本明細書中に用いるＶssは、通常は、ＣＥＳＤを含む回路用の負の方の電源電圧を称する。一部の例では、Ｖssは接地である。しかし、Ｖssは、電圧源とは異なる電圧を示すために用いられ、電圧源よりも高い電圧にも低い電圧にもすることができる。ＣＥＳＤ内の一方の電極（または電極のグループ）が電圧源に接続されている際には、他方の電極（または電極のグループ）はＶssに接続され、Ｖssは電圧源とは異なる電圧を有し、これによりＣＥＳＤ内の容量性素子の両端間に電圧差を与える。
ＩＩ．容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）
一部の実施形態では、容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）が、電極間に空間を有する少なくとも２つの電極、及び２つの電極間に配置されて２つの電極に接触する誘電体材料を具えている。ＣＥＳＤは、電極間に空間を有する電極のアレイを具えることができ、この電極のアレイは、電極のｎ個のグループを１つ以上の平面内に具え、ここにｎは２以上の整数である。
これらの電極は実質的に任意の断面形状を有することができ、こうした断面形状は、円柱の形状、楕円柱の形状、多角柱の形状、球の形状、半球の形状を含むが、これらに限定されず、あるいは、電極は平面形状を有することができ、ここでは電極が二次元の平面である。以下により詳細に説明する特定の実施形態では、電極が、波状曲線を有するワイヤ、あるいは当該ワイヤの全長に沿った周期的な突起を含むワイヤを具えることができる。一実施形態では、電極が直円柱の形状を有する。円柱の形状を用いて、電極間の有効表面積を増加させることができる。独立した実施形態では、電極が球形または半球形の形状を有する。一部の実施形態では、電極形状が誘電体の誘電率に影響を与え得る。特定の動作理論に束縛されることを望まずに、曲面状電界は直線状電界よりも大量のエネルギーを蓄積することができる。上記電極は、規則的な（例えば、滑らかな）表面、あるいは不規則な（例えば、粗い）表面を有することができる。一部の実施形態では、ランダムに不規則な、あるいは粗い電極表面が、充電／放電サイクルの少なくとも一部分において高速の充電及び放電をもたらす。特定の動作理論に束縛されることを望まずに、粗い表面は、規則的な滑らかな表面を有する電極に比べて増加した表面積に起因して、より高速な充電／放電をもたらす。
上記電極は導体材料で構成されている。適切な導体材料は、導電性カーボン、カーボン以外の導電性有機材料、導電性の金属、または半導体を含むが、これらに限定されない。一部の実施形態では、電極が陽極酸化されている（即ち、耐久性がある、耐食の、陽極酸化物の表面膜を有する）。他の実施形態では、上記電極が、例えばポリ(ｐ－キシリレン)のような絶縁コーティングでコーティングされている。
一部の実施形態では、隣接する電極間の中心軸－中心軸の間隔が１nm～５mmの範囲内であり、例えば、０．０３μmから１mmまで、０．５μmから１００μmまで、０．１μmから５０μmまで、１μmから５００μmまで、または１０μmから２０００μmまでの間隔である。従って、ＣＥＳＤは、４電極/cm2から４×１０12電極/cm2まで、例えば１００電極/cm2から１×１０9電極/cm2まで、１×１０4電極/cm2から１×１０9電極/cm2まで、または２×１０5電極/cm2から５×１０6電極/cm2までを含むことができる。電極の間隔は、部分的に、所望される電界（Ｅ－フィールド）、使用する誘電体材料、及び／または電極上の陽極酸化膜または絶縁コーティングの存在に依存する。一部の実施形態では、誘電体材料の平均の厚さに基づく０．０００１V/μm～１０００V/μmの範囲内の印加電界を利用する。特定の実施形態では、印加電界が、ＣＥＳＤの意図する利用法に応じて、０．００１V/μm～１０００V/μm、０．００１V/μm～１００V/μm、１００V/μm～１０００V/μm、または１V/μm～５V/μmの範囲内である。電極が絶縁コーティングを含む際には、絶縁層の遮断（ブロッキング）効果に起因する非常に低い電界を、わずかに導電性の誘電体材料と共に用いることができる。その代わりに、絶縁誘電体内の透過性の細孔を用いて、電界を、絶縁コーティングの大部分を通して、より高誘電率の誘電体まで透過させることができる。電極が陽極酸化されているか絶縁層でコーティングされている際には、（デバイスの所望の使用可能な電圧に応じた）より大きい間隔もより小さい間隔も可能である。こうした実施形態では、ずっと大きい電圧を実現することができる。一部の例では、電極上に絶縁コーティングを付加せずに、２５V以上の範囲内の電圧を用いてきた。大部分の金属は、大気中の酸素に曝されると、薄い非導電性の酸化物層を成長させる。電極に絶縁コーティングが負荷されている際には、１００V以上の、例えば≧１５０Vの、≧２００Vの、≧２５０Vの、≧４００Vの、さらには≧６５０Vの電圧を印加することができる。
図１は、複数の電極１１、１２を並列配置の形に具えた従来のコンデンサ１０の断面図である。エッジコネクタ１３、１４は外部への電気接続用である。非導電性の誘電体材料１５が電極１１、１２間にある。コンデンサの要素間の明らかな隙間は、いずれも明瞭にする目的で示すに過ぎず、実際のデバイス内には存在しない。この方法で作製された代表的なコンデンサは多層セラミックコンデンサ（ＭＬＣＣ：multilayer ceramic capacitor）を含み、多層セラミックコンデンサは電子回路用に用いられている。
これとは対照的に、開示するエネルギー蓄積デバイスの一部の実施形態は、電極間に空間を有する平面配列の形の電極のアレイ、及び電極間の空間を占める誘電体材料を含む。上記ＣＥＳＤは単一の平面上に形成することができる。このことは製造にとって有利である、というのは、単一の平面が、間隔の近い電極の幾何学的及び機械的整列を促進するからである。電極が正確に整列していなければ、これらの電極は互いに接触して短絡を生じさせ、あるいは蓄積しているエネルギーの不所望な放出を生じさせる。電極の２つの平面をミクロンまたはナノメートルの尺度で正確に整列または位置合わせすることができるが、こうしたデバイスの大規模な生産は困難である。開示するＣＥＳＤの一部の実施形態の幾何学的性質は、これらの整列の問題を軽減するのに役立つ、というのは、単一の平面基板を製造中に用いるからである。それにもかかわらず、特に、より少数の電極が存在する場合、及び／またはより大きい間隔が電極間に存在する場合には、電極が２つ以上の異なる平面上に形成されて、これらの平面間の誘電体と位置合わせされる他の構成が実現可能であり、これらの構成も本発明の範囲内である。こうした実施形態では、エッジコネクタも２つ以上の異なる平面上に存在することができる。
図面中には好適なＣＥＳＤを例示する。３つ以上の電極を含むＣＥＳＤでは、図面中に示す電極の数は代表的なものに過ぎず、ＣＥＳＤ内の電極の最小数または最大数を示すものではないことは明らかである。いくつかの図面中では、１つ以上の「単位セル」を点線で示している。単位セルは、そのＣＥＳＤにとって最小の構成である。
図２Ａは好適なＣＥＳＤ１００の側断面図であり、ＣＥＳＤ１００は、複数の電極１１０、１２０をほぼ平面のアレイ（即ち、秩序配列）の形に具え、各電極は平面に直交する中心軸ＡCを有する。エッジコネクタ１３０、１４０は外部から電極への接続用である。誘電体材料１５０が電極１１０、１２０間の空間を占めて、これらの電極に接触する。電極１１０、１２０は、少なくとも部分的に、誘電体材料１５０内に埋め込まれるか誘電体材料１５０に接触する。電極１１０、１２０は誘電体材料１５０内に完全に埋め込むことができる。隣接する電極間に位置する誘電体材料の領域が容量性素子を規定する。ＣＥＳＤの要素間の明らかな隙間は、いずれも明瞭にする目的で示すに過ぎず、実際のデバイス内には存在しない。
上記複数の電極は、基板上に配置することができ、あるいは任意で、除去可能な担体層１６０上に配置することができる（ＣＥＳＤを担体層上に形成することができ、この担体層はその後に除去される）。ＣＥＳＤ１００は複数の電気相互接続体（図２には図示せず）をさらに具え、各電気相互接続体は２つ以上の電極を直列に接続する。単一の電気相互接続体によって接続される電極が電極のグループを構成する。一部の実施形態では、ＣＥＳＤが上部封止層または追加的誘電体１７０をさらに含む。ＣＥＳＤは電極の少なくとも２つのグループを含むが、何百個もの、さらには何千個もの個別の電極または電極のグループを含むことができる。ＣＥＳＤは、電極のグループの数に等しい数の電気相互接続体を含む。従って、ＣＥＳＤは少なくとも２つの電気相互接続体を含むが、何百個もの、さらには何千個もの電気相互接続体を含むことができる。
図２Ｂに示すように、２つ以上のＣＥＳＤ１００を垂直方向に積層させてＣＥＳＤ積層を形成することができる。ＣＥＳＤ積層は、何十個、何百個、さらには何千個もの層をなすＣＥＳＤを含むことができる。開示するＣＥＳＤの一部の実施形態は、０．００５μmから１５０μmの範囲の厚さを有する。従って、ちょうど１cmの厚さを有するＣＥＳＤ積層は、２～２，０００，０００層、例えば５０～１，０００，０００層、５０～１００，０００層、５００～５０，０００層、１，０００～１０，０００層、または１，０００～７，０００層を含むことができる。一実施形態では、積層内の各ＣＥＳＤが、非導電性基板のような基板１６０を含む。独立した実施形態では、封止層１７０が積層内の隣接する各ＣＥＳＤの対の間に配置され；この封止層は、ポリ(ｐ－キシリレン)のような絶縁層、あるいは追加的な誘電体材料であることが有利である。図２Ｂは特定数の電極を示しているが、ＣＥＳＤは図示するよりも多数または少数の電極を有することができることは明らかである。点線は内側の単位セル１０１ａ、及びエッジ（端）または外側の単位セル１０１ｂを示し、各々が２つの電極、及びこれらの電極間の誘電体材料を含む。ＣＥＳＤの要素間の明らかな隙間は、いずれも明瞭にする目的で示すに過ぎず、実際のデバイスには存在しない。
電極１１０、１２０は、中心軸に沿った任意の所望の高さを有することができる。一部の好適例では、電極が１nmから１２０００μmまでの高さ、例えば５nm～１２０００μmの高さ、０．０１μm～１０mmの高さ、０．０１μm～１mmの高さ、０．０３μm～１mmの高さ、０．０３μm～１００μmの高さ、０．０３μm～１０μmの高さ、０．５μm～１０μmの高さ、または１μm～１０μmの高さを有する。特定の実施形態では、電極のグループ内の各電極がほぼ同じ高さを有する（即ち、グループ内の各個別の電極の高さは、グループ内の電極の平均の高さから５％未満しか変動しない）。以上の実施形態のいずれにおいても、電極のアレイ内の各電極はほぼ同じ高さを有することができる。電極間の空間を占める誘電体材料は、電極の平均の高さの１０％から５０００％までの範囲の平均の厚さ、例えば、電極の平均の高さの１０～１５００％、９０～１５００％、１０～５００％、または９０～５００％の範囲内の平均の厚さを有することができる。一部の実施形態では、誘電体材料の平均の厚さが電極の平均の高さとほぼ同じである（即ち、５％未満しか変動しない）。
以上に説明したように、電極の間隔は、部分的に、所望される電界（Ｅ－フィールド）、使用する誘電体材料、及び／または電極上の陽極酸化膜または絶縁コーティングの存在に依存する。一般に、電界は電極の中心軸に直交する。従って、電極が基板上に配置されてその中心軸が基板に直交する場合、電界は基板にほぼ平行になる。丸い面または曲面を利用する他の実施形態では、電界は、透視図において基板または電極の表面上の直交する点に合わせて実質的に湾曲する形状を有することができる。
好適な基板は非導電性であり、あるいは、電極に接触する非導電層または絶縁層（例えば、ポリ(ｐ－キシリレン)）を具えている。一部の実施形態では、基板１６０が除去可能な担体であり、ＣＥＳＤが組み立てられた後に除去される。一部の例では、除去可能な担体が水溶性ポリマーを含む。
上記電気相互接続体は、２つ以上の電極を直列に接続する導電線である。上記電気相互接続体は、導電性カーボン、カーボン以外の導電性有機材料、または導電性の金属のような導体材料で構成することができる。一部の実施形態では、上記電気相互接続体が金属線である。電極への電気接続は直接的にも間接的にもすることができる。直接的接続は、マイクロエレクトロニクス及びリソグラフィーの分野で就業する者にとって周知の方法で行うことができる。接続は、例えば標準的なワイヤボンディング機または導電性接着剤を用いて行うことができる。
ＣＥＳＤ内では多数の可能な電極配列が存在し、本明細書ではそのうちの少数を説明する。図３～１４の全体を通して、個々の構成要素に対する同じ番号を変えない。図３に示す個的な実施形態では、ＣＥＳＤ３００が、整列したグリッド（格子）パターンの形に配列された電極１１０、１２０のアレイを具え、各電極の中心軸ＡC(*)は、隣接する行及び列の直に隣接する電極の中心軸と整列している。（上から見た）各対角行が電極のグループを構成する。点線で示すように、３つの電極が単位セル、例えばセル３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃを構成する。対角行内を見ると、いずれの行内の電極の中心軸も、直に隣接する対角行内の電極の中心軸からスタガード様式（交互）にずれている、あるいはオフセットしていることがわかる。電極の各グループ内のすべての電極が、電気相互接続体１１５、１２５によって接続されている。例えば、図３のラベルを付けた電気相互接続体１１５は、２つの電極１１０を直列に接続し、ラベルを付けた電気相互接続体１２５は、３つの電極１２０を直列に接続する。各電気相互接続体は、エッジコネクタ１３０、１４０に結合された終端を有し、このエッジコネクタを用いて電極のグループ毎の外部への電気接続を形成する。各エッジコネクタ１３０、１４０は、例えばスイッチ（図示せず）に接続することができる。電気相互接続体の他方の端子は、グループ内で当該電気相互接続体から最も遠い電極に接続されている。誘電体材料１５０は、電極１１０、１２０間の空間を占め、これらの電極は、少なくとも部分的に、この誘電体材料内に埋め込まれるかこの誘電体材料に接触する。異なるグループに属して互いに隣接する電極間の誘電体材料の領域が、容量性素子１５５を規定する。図３の構成では、各内側電極（即ち、アレイのエッジ上にない電極）は他のグループに属する４つの電極によって包囲される。従って、各内側電極の周りに４つの容量性素子１５５が存在する。対角線上に配置された電極のグループは、エッジコネクタ１３０、１４０を、電極１１０、１２０の（中心間の）距離の２倍の間隔を置かせることを可能にすることが有利である。容量性素子は、単一行内で直接に接続された２つの電極間には形成されない。行電極１１０及び隣接する行電極１２０を活性化することによって、これらの活性化された２つの行間に位置するすべての容量性素子１５５がアドレス指定される。「活性化する」とは、(i)エッジコネクタに電圧を印加すること、(ii)エッジコネクタをＶss（例えば、接地）に接続すること、または(iii)エッジコネクタを負荷に接続することを意味する。例えば、隣接する行のエッジコネクタ１４０をＶssに接続すると共に電圧をエッジコネクタ１３０に印加し、ここでＶssは印加する電圧と異なり、これにより、隣接する行の電極１１０と１２０との間に位置する容量性素子１５５の両端間に電圧差を生じさせることができる。なお、コンデンサへの接続部は２つ存在する。エネルギー蓄積は電荷の量及びデバイスの静電容量のみに関係し、従ってこれら２つの接続部間の電圧差のみに関係するので、コンデンサへの一方の接続部の電圧は接地電位であるものと仮定することによって説明を簡略化する。従って、容量性デバイスへの他方の接続部への電圧だけ説明すればよい。しかし、デバイスの説明及び実用性は接地電位のみに限定する必要はなく、このことは電気回路に精通した者に共通して知られている。
図４の構成では、ＣＥＳＤ４００が、整列したグリッドパターンの形に配列された電極１１０、１２０のアレイを具え、各電極の中心軸ＡC(*)は、隣接する行の直に隣接する電極の中心軸と整列している。各行は電極のグループを構成する。点線で示すように、４つの電極が単位セルを形成する。整列した行の配列は、２つの容量性素子１５５を、各内側電極（例えば、電極１２０ａ）の互いに反対の側に提供する。容量性素子１５５は各エッジ電極に隣接する。電極１１０の行及び隣接する電極１２０の行を活性化することによって、活性化された２つの行間に位置するすべての容量性素子１５５がアドレス指定される。
図５にＣＥＳＤ５００を示し、ＣＥＳＤ５００では、電極１１０、１２０がスタガード様式に並んだ行のアレイの形に配列され、このため、行内の各電極の中心軸(*)は隣接する行内の電極の中心軸と整列していない。各行は電極のグループを構成する。点線で示すように、４つの電極が単位セル５０１を形成する。各内側電極（例えば、電極１２０ａ）は、隣接する各行内の２つの電極に隣接する。整列した行の配列は、各内側電極の周りに４つの容量性素子を提供し、電極の互いに反対側の各々に２つの容量性素子がある。電極１１０の行及び隣接する電極１２０の行を活性化することによって、活性化された２つの行間に位置する容量性素子１５５がアドレス指定される。
図６の実施形態では、ＣＥＳＤ６００が、オフセットした対角行のアレイの形に配列された電極１１０、１２０を具え、各行は電極のグループを構成する。点線で示すように、４つの電極が単位セル６０１を形成する。各内側電極（例えば、電極１２０ａ）は、隣接する各対角行内の２つの電極に隣接する。この構成は、各内側電極の周りに４つの容量性素子を提供する。電極１１０の行、及び隣接する電極１２０の行を活性化することによって、活性化された２つの行間に位置するすべての容量性素子１５５がアドレス指定される。
図７にＣＥＳＤ７００を示し、ＣＥＳＤ７００は、行及び列が整列したグリッドパターンの形に配列されている。各行は行グループの電極、即ち電極１１０を具え、電極１１０は複数の列グループの電極と交互する。各列は列グループの電極、即ち電極１２０を構成し、電極１２０は複数の行グループの電極と交互する。点線で示すように、４つの電極が単位セル７０１を形成する。各行グループの電極は行電気相互接続体１１５により直列に接続されている。各列グループの電極１２０は、列電気相互接続体１２５により直列に接続されている。この構成は、各内側電極の周りに４つの容量性素子１５５を提供する。図７に示す実施形態では、電気相互接続体１２５が、電極１２０の中心軸ＡCからオフセットして、各電極１２０に接続されるための分岐形状を有する。電気相互接続体１１５と１２５とが互いに交差するので、これらの相互接続体は三次元空間内の異なる平面内に配置されている。これらの電気相互接続体は、行の相互接続体１１５が列の相互接続体１２５と交差する各交点に垂直方向の空間的隔離が存在するように構成されている。図８に示すＣＥＳＤ８００のような一部の実施形態では、絶縁層１９０が電気相互接続体１１５と１２５との間に配置され、これにより電気相互接続体１１５は絶縁層の上方にあり、電気相互接続体１２５は絶縁層の下方にある。電極１１０は、絶縁層を通って延びるビア１８０によって電気相互接続体１１５に接続することができる。その代わりに、絶縁層は電極１１０の上方で選択的に除去することができる。単位セル８０１は点線で示す。独立した実施形態では、電極１１０が、絶縁層（図示せず）を通って延びるのに十分な高さを有する。他の独立した実施形態、即ち図９に示すＣＥＳＤ９００では、行電気相互接続体１１５が、各電極１１０の下面上からの高さｈ1の所で電極１１０に接触する。分岐した列の相互接続体１２５は、各電極１２０の下面上の高さｈ2の所で電極１２０に接触し、ここにｈ1≠ｈ2である。以上の実施形態のいずれにおいても、封止層１７０を最上の電気相互接続体上に配置することができる。
図７～９に示す構成は、単一の電極に隣接する複数の容量性素子のアドレス指定を可能にすることが有利である。この特徴は、エネルギー蓄積及び／またはデータ記憶のための多大な多様性及び能力を提供する。図１０のＣＥＳＤ１０００を参照すれば、電極１１０の単一のエッジ行及び電極１２０の単一の内側列が、例えば、エッジコネクタ１４０ｇをＶss（例えば、接地）に接続すると共にエッジコネクタ１３０ａに電圧を印加することによって活性化される。エッジコネクタ１３０ａ及び１４０ｇに接続された全部の電極が活性化されるが、活性化されたエッジ電極と活性化された内側電極との間にある単一の容量性素子１５５のみがアドレス指定される。誘電体材料１５０の他のすべての領域は実質的に影響を受けない。
図１１にＣＥＳＤ１１００を示し、例えば、エッジコネクタ１４０ｆをＶssに接続すると共にエッジコネクタ１３０ｂに電圧を印加することによって、内側電極１１０の行及び内側電極１２０の列の活性化を行う。活性化された２つの電極１２０間で、活性化された内側電極１１０の互いに反対側に位置する容量性素子１５５がアドレス指定される。異なる列のエッジコネクタ、例えば（図１２のＣＥＳＤ１２００で示す）エッジコネクタ１４０ｇの選択により、活性化された２つの電極１１０間で、活性化された内側電極１２０の互いに反対側にある２つの容量性素子１５５がアドレス指定される。従って、任意の単一電極に隣接した容量性素子を、電極の１行及び１列の活性化によって所望通りにアドレス指定することができることがわかる。
図１３の構成では、ＣＥＳＤ１３００が、スタガード様式に並んだ行のグリッドパターンの形に配列された電極１１０、１２０のアレイを具え、１つの行内の各電極の中心軸は隣接する行内の電極の中心軸と整列していない。各行は、１つの行グループの電極、即ち電極１１０を具え、電極１１０は複数の列グループの電極と交互する。点線で示すように、４つの電極が単位セル１３０１を形成する。各行グループの電極１１０は、行電気相互接続体１１５により直列に接続されている。１つの列内のスタガード様式に並んだ電極１２０は、列電気相互接続体１２５により直列に接続されている。行電気相互接続体１１５が列電気相互接続体１２５と交差する各交点に空間的隔離が存在する。一部の実施形態では、絶縁層（例えば、図８に示す絶縁層１９０）が電気相互接続体１１５と１２５との間に配置され、これにより、電気相互接続体１１５は絶縁層の上方にあり、電気相互接続体１２５は絶縁層の下方にある。電極１１０は、絶縁層を通って延びるビア１８０によって電気相互接続体１１５に接続することができる。この構成は、各内側電極の周りに４つの容量性素子１５５を提供する。
図１４に、図１３のＣＥＳＤ１３００内の、内側電極１１０の行及び内側電極１２０の列活性化を示し、この活性化は、例えば、エッジコネクタ１４０ｄをＶssに接続すると共にエッジコネクタ１３０ｂに電圧を印加することによって行う。こうした電極のスタガード様式に並んだ配列は、内側の行及び内側の列の活性化によって４つの容量性素子１５５をアドレス指定する。
図３～１４では、電極１１０、１２０を、円形の断面を有するように示しているが、前述したように、これらの電極は実質的に任意の幾何学的形状を有することができる。図１５にＣＥＳＤ１５００を示し、ＣＥＳＤ１５００は、六角形の断面を有する電極１１０、１２０のスタガード様式に並んだ行のアレイを具えている。点線で示すように、２つの電極が単位セル１５０１を形成する。こうしたスタガード様式に並んだ行及び六角形の形状は、各内側電極に隣接した４つの容量性素子１５５を提供する。
一部の実施形態では、ＣＥＳＤが１つ以上の多角形の、電極の単位セルを具え、各多角形の単位セルは５つ以上の辺を有する。図１６には好適な多角形の単位セル１６００を示す。図１７に、多角形の単位セル１６００のアレイを具えたＣＥＳＤ１７００を示す。一部の実施形態では、アレイが多角形の単位セル１６００の平面アレイである。各多角形の単位セル１６００は複数の電極を具え、これらの電極は、少なくとも多角形を形成し、当該多角形の各頂点に１つの電極がある。図１６の好適な多角形の単位セルでは、６つの電極（番号２～７を付けた電極）が六角形の頂点に配置されている。他の幾何学的配列が可能であることは、通常の当業者が理解する所である。例えば、５つの電極を五角形の頂点に配置することができ、８つの電極を八角形の頂点に配置することができる、等である。一部の実施形態では、追加的電極（電極番号１）を多角形の中心またはその付近に配置することができる。多角形の単位セル１６００は、単位セル内の電極の数に等しい数の電気相互接続体（例えば、相互接続体１０５、１１５、１１６、１２５、１２６、１３５、１３６）を具えている。誘電体材料１５０は電極間の空間を占め、隣接する電極間に位置する誘電体材料の領域が容量性素子１５５を規定する。２つ以上の相互接続体の各交点に、垂直方向の空間的隔離が存在する。例えば、図１６を参照すれば、電気相互接続体１１５、１２５の交点に垂直方向の空間的隔離が存在する。しかし、互いに交差しない電気相互接続体は同じ平面を占めることができる。従って、電気相互接続体１１５、１１６は同じ平面を占めることができるのに対し、電気相互接続体１２５、１２６は、電気相互接続体１１５、１１６から垂直方向に分離された他の平面を占める。上記多角形の単位セルは、交差する電気相互接続体どうしを分離する絶縁層を含むことができ、絶縁層を通るビアにより電極を対応する電気相互接続体に接続し、図８に示す実施形態と同様である。任意で、封止層（図示せず）を、最上の電気相互接続体上に配置することができる。図１６の好適な単位セルでは、電気相互接続体１０５、１１５／１１６、１２５／１２６、及び１３５／１３６が、４つの平面内のそれぞれに配置され、これらの平面間に絶縁層を配置することができる。なお、図１６では、電気相互接続体１０５が番号１、２、及び５を付けた電極と整列しているが、電気相互接続体１０５は多角形の中心にある番号１を付けた電極のみに接続され、番号２及び５を付けた電極からは（例えば、絶縁層によって）分離されている。これらの電気相互接続体を、（例えば、エッジコネクタ（図示せず）を通して）スイッチを有する外部の論理回路に接続して、これらの電気相互接続体を所望通りに選択して活性化し、これによりアレイ内の１つ以上の容量性素子をアドレス指定することができる。
図１７をさらに参照すれば、複数の多角形単位セルの同じ位置にある電極が直線をなすように、多角形の単位セル１６００が構成されている。例えば、多角形単位セルを対角行内に配列して、２つ以上の多角形単位セルの１２時の位置にある電極（例えば、電極１１０）が直線をなすようにすることができる。列方向に見れば、１つの多角形単位セルの中心が、各隣接する行内の多角形単位セルのエッジと整列している。これらの同一直線上の電極は、電極のグループを構成し、単一の電気相互接続体、例えば電気相互接続体１１５により接続されている。各容量性素子１５５は、当該容量性素子の互いに反対側にある電極を活性化することによって独立してアドレス指定される。図１７の実施形態における各多角形単位セルは、７個の電極及び２１個の容量性素子（１２個は直接、当該単位セル内にあり、１８個は隣接するセルと共有される）を含んで、電極当たり３つの容量性素子を提供し、その各々を一意的にアドレス指定することができる。図１７は、複数の多角形単位セルを具えたＣＥＳＤの好適な実施形態を１つだけ示し、他の多角形単位セルの幾何学的形状及び配列が本発明の包含されることは、通常の当業者が理解する所である。
図１６及び１７に例示する多角形単位セルの構成は、膨大な密度及び容量を有するＣＥＳＤを提供する。１μmの電極の中心－中心間隔を有する電極の場合には、１ミクロン当たり３つの容量性素子が存在する。１μmの電極の高さを仮定すれば、こうした単位セルの構成は、１０9電極/mm3または１０12電極/mm3の積層密度、３×１０12素子/cm3の容量性素子密度、及び３０００Gb/cm3または３７５GB/cm3を提供し、各容量性素子は１ビット（２つの論理状態）である。
電子エントロピー誘電体材料を具えたＣＥＳＤは、動作中に熱を少ししか、あるいは全く発生せず、これにより、何百個または何千個もの層を有する大型のＣＥＳＤ積層の形成及び使用を可能にし、各層は何百個または何千個もの電極及び容量性素子を有することが有利である。一部の実施形態では、積層ＣＥＳＤの使用中に、特に印加する電圧が２０V程度である際に、熱が検出されない。一部の実施形態では、印加する電圧が０Vよりも大きく、≦１００V、≦７５V、≦５０V、≦２０V、≦１０V、または≦５Vであり、例えば０．０２５～２０V、０．１～１０V、０．５～５V、または０．７～５Vである。これとは対照的に、従来の積層コンデンサは一般に、加熱の前に、漏洩電流が過剰になることにより、SiO2のような誘電体材料の７層程度に限られる。
表１は、好適な寸法及び特性をいくつかのセルについて提供し、これらのセルは、１μmの線寸法を有する「公称の」セル、より大型の耐電磁パルス（ＥＭＰ：electromagnetic pulse）セル、大型の「エネルギー集積器兼メモリセル」、最高のメモリ密度を有するセル、及び、例えばエネルギー蓄積に有用な非常に大型のセルを含む。ロバストネス（頑健性）については、耐ＥＭＰセルはセル当たり２つの論理レベルしか有さないものと仮定する。表１中では、「セル」とは、単一の電極がそれに関連する容量性素子を伴う領域を称し；「層」は容量性デバイスの水平面であり；層は三次元に積層させることができ；「単位セル」は容量性アレイにおける繰り返しの単位である。表１の好適な構成では、単位セルが（例えば、図１６に示すような）電極が中心にある六角形の単位セルである。
Figure 0007031891000004
1電極間隔はＸ次元及びＹ次元の両方において等しいものと仮定する。
2セル面積は６×(１．５×間隔)2×ルート(３)／４／７として計算し、ここに六角形の面積は６×(ｌ)2×ルート(３)／４／７、即ち、単位セル面積を電極数（７）で除算した値であり、ここにｌ（エル）は１．５×(電極間隔)である。
3電極の高さと誘電体の厚さとは同じであるものと仮定する。
4セルのベース層（絶縁層、または電極が実装された基板）は、各平面間の絶縁層と同じ厚さであるものと仮定する。絶縁材料は、あるいは材料が全くないことは、層の平面間の分離材料に過ぎないことがある。従って、絶縁層は完全に任意である。例えば、導電トレースが陽極酸化されていたならば、層の分離は本質的にゼロになり得る。
5追加的な電気相互接続体は、絶縁層上に追加的な厚さを取る。
6電極に直接接触する電気相互接続体の第１層は数えない。
7偶数個の電極層は((ｎ/２)－１)個の追加的な絶縁層を必要とし；奇数個の電極層は(((ｎ－１)/２)－１)個の追加的な絶縁層を必要とする。
8セル当たりの論理レベルは、容量性素子内に漏洩がないことにより大幅に増加する。４つの論理レベルは、２ビットのバイナリ論理レベルのデバイスと等価であり；従って、セル当たり１６の論理レベルは、４ビットのバイナリ論理装置と同数の一意的な論理出力を与える。
9セル当たりの容量性ユニットの数は、電極の形状及び相互接続体に基づいて変化する。中心電極を有する六角形の単位セルについては、セル当たり４つの容量性素子が存在する。
従って、一部の実施形態では、図１７によるＣＥＳＤが１×１０6から２．７×１０18セル/cm3までのセル（電極及びそれを包囲する領域）密度を有し、これによりＣＥＳＤに１．５から１×１０9MB/cm3までのメモリ密度をもたらす。一部の実施形態では、ＣＥＳＤが、４×１０8から２．７×１０18セル/cm3まで、４×１０8から３×１０16まで、または４×１０8から８×１０11までのセル密度を有して、１から１，０００，０００GB/cm3、１～１０，０００GB/cm3、または１～１，０００GB/cm3のメモリ密度を提供する。
他の実施形態では、図１８に示すように、ＣＥＳＤ１８００が２つ以上の電極１８１０、１８２０を具え、これらの電極は、当該電極間に間隔を有する多重螺旋の形に配置されている。こうした多重螺旋の構成が平面的な多重螺旋の構成であり、これらの電極が平面基板上に配置されていることが有利である。これらの電極は互いに交差しない。電極１８１０、１８２０の各々の３６０°ループを単位セルとして考えることができる。エッジコネクタ１８３０、１８４０が各電極１８１０、１８２０に接続されている。誘電体材料１８５０が電極１８１０、１８２０間の空間を占める。一部の実施形態では、電極１８１０、１８２０及び誘電体材料１８５０が、非導電性の平面基板のような基板（図示せず）上に配置されている。一部の実施形態では、螺旋配列全体を通して、電極１８１０、１８２０が互いから等距離の間隔をおいている。図１８の好適な構成はほぼ円形の螺旋を示しているが電極１８１０、１８２０は任意の多重螺旋の形状に配置することができ、こうした多重螺旋の形状は、デバイス、例えば集積回路内の利用可能な空間を占める所望通りの、楕円形の、多角形の、または不規則な多重螺旋を含むが、これらに限定されない。一部の実施形態では、電極１８１０、１８２０が円形の断面を有して有効表面積を最大にする。
ＣＥＳＤを具えたデバイス１９００は、ＣＥＳＤ１９１０、スイッチングアレイ１９２０、及びコントローラ１９３０を含むことができ、ＣＥＳＤ１９１０は本明細書中に開示するＣＥＳＤのいずれにもすることができ、コントローラ１９３０は、図１９に示すようにスイッチングアレイ１９２０を制御するための論理回路を含む。スイッチングアレイ１９２０は、ＣＥＳＤ１９００内の電極のグループを活性化するように動作可能であり、これにより、例えば図３～１７に関して説明するように、ＣＥＳＤ内の１つ以上の容量性素子をアドレス指定する。
図２０に、管状のＣＥＳＤ２０００を示す。図２０に示す管状のＣＥＳＤは、第１電極２０１０及び第２電極２０２０を具えている。任意で、第１電極２０１０はその外面上に絶縁コーティングを有することができる。図に示すように、第１電極２０１０は直円柱の形状を有する。しかし、第１電極２０１０は、多角柱、楕円柱、等のような他の形状を有することができる。第２電極２０２０は螺旋形状を有し、第１電極２０１０の周りに巻回されている。第２電極２０２０は第１電極２０１０に隣接するが、直接接触しない。第１及び第２電極２０１０、２０２０は使用中に互いに逆の極性を有する。誘電体材料（明瞭にするために図示せず）が電極２０１０、２０２０間の空間に充填されている。一部の実施形態では、コーティング付きワイヤを第２電極として利用し、その後に、上記空間に誘電体材料を充填する前に、任意の適切な手段（例えば、レーザーまたは化学溶解）によりコーティングを除去することによって、上記空間を電極２０１０、２０２０間に生成する。
図２１に、管状のＣＥＳＤ２１００の他の具体例を示す。図２１に示す管状の積層ＣＥＳＤ２１００は、第１電極２０１０、第２電極２０２０、及び第３電極２０３０を具えている。第１電極２０１０及び第２電極２０２０は上述した通りである。第３電極２０３０は管状の形状を有し、第２電極２０２０または第１電極２０１０には直接接触せずに第１及び第２電極２０１０、２０２０を取り囲み、または包囲する。図２１では、単に明瞭にするために、第３電極２０３０を半透明であるものとして示し、このため、電極２０１０及び２０２０の構成は、第３電極２０３０によって規定される内部空間全体を通って延びるように見ることができる。実際のＣＥＳＤ２１００では、第３電極２０３０は半透明ではない。使用中には、第３電極４０３０は、第１電極２０１０と同じ極性を有し、第２電極２０２０の極性とは逆の極性を有する。誘電体材料（明瞭にするために図示せず）が電極２０１０、２０２０、２０３０間の空間に充填されている。第１電極２０１０、螺旋形の第２電極２０２０、及び管状の第３電極２０３０の各々が中心軸ＡCを有し、これらの中心軸は同軸である。任意で、管状の積層ＣＥＳＤは、第３電極２０３０の外面に付加された外側の非導電性封止材料を具えている。この外側の非導電性封止材料は、管状の積層ＣＥＳＤを電気絶縁して、流体の誘電体材料を用いる際に流体の流れに抵抗を与えること、及び／または管状の積層ＣＥＳＤに追加的な機械的強度を与えることができる。適切な非導電性封止材料は、重合ｐ－キシリレン（例えば、プラレン（登録商標）ポリマー）、ｐ－キシリレン及びコモノマーから成るコポリマー（共重合体）、ポリエチレン・テレフタレート（テレフタル酸ポリエチレン）、セラック（シェラック、セラニックス）、ポリウレタン、または架橋（交差結合）ポリウレタンを含むが、これらに限定されない。
図２１に示す電極を互いに撚り合わせることができることは、多心（多導体）ケーブルの製造に精通した者にとって明らかである。換言すれば、上記中心電極は、外側の螺旋電極に接触せずに非常に近接するように、螺旋様式に形成することができる。図２１と同様なデバイスを巻回する過程では、こうした幾何学的な屈曲または巻回は一般的である。同様な方法で、複数の導体（両極性の電極）を一緒に巻回して単一の集合体（図示せず）を作製することができる。
螺旋電極と管状電極とが交互する追加的電極を含めることによって、追加的な層をＣＥＳＤ２１００に追加することができる。例えば、他のより大型の螺旋電極２０２０を、第３電極２０３０に直接接触させずに第３電極２０３０の周りに巻回し、他のより大型の管状電極２０３０が内側の層を包囲することができる。電極間のすべての空間に誘電体材料が充填される。層の数は製造及びサイズの制約のみによって制限される。第１電極２０１０と第３電極２０３０とは第１電気相互接続体（図示せず）を用いて並列に接続することができ、第２電極２０２０どうしは第２電気相互接続体（図示せず）を用いて並列に接続することができる。使用中には、２つ以上のＣＥＳＤ２１００を、電気相互接続体（図示せず）を用いて並列に接続することができる。
一部の実施形態では、図２２Ａ及び２２Ｂに示すように、積層ＣＥＳＤが、第１電極２２１０、第２電極２２２０、及び積層配列２２３０を含み、第２電極２２２０は、第１電極と平行であり、第１電極から間隔をおき、これにより第１電極と第２電極との間に空間を形成し、積層配列２２３０は、第１及び第２電極と平行に配列された誘電体材料層２２４０と導体材料層２２５０とが交互して、第１電極と第２電極との間の空間を占める。コネクタ２２１５及び２２２５は外部への電気接続用である。図２２Ａ中の積層ＣＥＳＤ２２００の要素間の明らかな隙間は、明瞭にする目的で示し、実際のデバイスには存在しない。
図２２Ａを参照すれば、積層配列２２３０はｘ個の誘電体材料層を具え、(i)ｘは２以上の整数であり、(ii)第１の誘電体材料層２２４０ａは第１電極２２１０に直接接触し、(iii)ｘ番目の誘電体材料層２２４０ｘは第２電極２２２０に直接接触する。この積層配列はｙ個の導体材料層をさらに具え、ここにｙ＝ｘ－１であり、１つの導体材料層は、隣接する各誘電体材料層の対の間に配置されている。導体材料層２２５０と隣接する誘電体材料層２２４０との間にも直接の接触が存在する。
積層配列２２３０は、複数の誘電体材料層と導体材料層とが連続的に積層されたＣＥＳＤを提供する。積層ＣＥＳＤ２２００は、交互に積層された誘電体材料層と導体材料層との間に直接の接触以外の内部電気接続を必要としないことが有利である。図２２Ａは２２４０及び２２５０のような層の間にわずかな隙間を示すが、この隙間は図面中で明瞭にするために過ぎない。材料は互いに直接接触している。
積層ＣＥＳＤ２２００の実施形態は、ｘ個の誘電体材料層２２４０及びｙ個の導体材料層２２５０を含み、ここにｘは２以上の整数であり、ｙ＝ｘ－１である。理論的観点からは、層の数は基本的に無制限である。しかし、層の数は、実際には、製造上の制約（例えば、再現可能な厚さを有する多数の層を形成するに当たっての困難さ）によって制限される。一部の好適例では、ｘは２～５０００、２～１０００、２～５００、２～１００、２～５０、２～２５、２～１０、または２～５の整数である。例えば、ｘは２、３、４、５、６、７、８、９、または１０とすることができる。こうした構成では、ｙはそれぞれ１、２、３、４、５、６、７、８、または９である。図２２Ａの非限定的な好適な積層ＣＥＳＤでは、ｘが５でありｙが４である。
各導体材料層は、（図２２Ａに示すように）厚さＴCを有することができ、厚さＴCは、０．０００５μmから１００００μmまでの範囲内の厚さ、例えば０．００５～１００００μm、０．００５～１０００μm、０．００５～５００μm、０．０１～５００μm、０．０１～１００μm、０．０２～１００μm、０．０５～１００μm、０．０５～５０μm、０．０５～１０μm、または０．０５～５μmの範囲内の厚さを有することができる。一部の実施形態では、各導体材料層の厚さが同じである。「同じ」とは、各層の厚さが、これらの層の平均の厚さに対して±５％未満、例えば、これらの層の平均の厚さに対して±２％未満だけ変動することを意味する。
任意で、図２３に示すように、積層ＣＥＳＤ２２００は、積層配列２２３０の１つ以上のエッジに接触して、第１電極２２１０から第２電極２２２０まで延びる非導電性の封止層２２６０をさらに含む。この非導電性の封止材料は、積層ＣＥＳＤを電気絶縁すること、流体の誘電体材料を用いる際に流体に抵抗を与えること、及び／または追加的な機械的強度を積層ＣＥＳＤに与えることができる。適切な非導電性の封止材料は、重合ｐ－キシリレン（例えば、プラレン（登録商標）ポリマー）、ｐ－キシリレン及びコモノマーから成るコポリマー、またはポリエチレン・テレフタレートを含むが、これらに限定されない。ここでも、層間に示す隙間は存在せず、層どうしを明確に区別するために示すに過ぎない。
図２２Ａに示すように、積層ＣＥＳＤは、第１電極の外向きに面する表面から第２電極の外向きに面する表面までを測った高さＨを有する。一部の実施形態では、高さＨが０．０２５μmから２０００μmまでの範囲内であり、例えば０．０５～２０００μm、０．１～２０００μm、１～２０００μm、１～１０００μm、５～１０００μm、１０～１０００μm、１０～５００μm、１０～２００μm、または１０～１００μmの範囲内の高さである。
一部の実施形態では、積層ＣＥＳＤが間隔をおいた電極のアレイを含み、これらの電極は複数の平行な平面または層内に配列され、電極間の空間に誘電体材料が充填されている。図２４Ａ～２４Ｃに積層ＣＥＳＤ２４００を示し、積層ＣＥＳＤ２４００は、ｎ個の平行な平面または層内に配置された平行な電極のｎ個のグループを含み、このＣＥＳＤは、第１電極２４１０の平面または層と第２電極２４２０の平面または層とを交互に具えている。図２４ＡはＣＥＳＤ２４００の透視図であり、図２４Ｂ及び２４Ｃはそれぞれ下面図及び側面図である。点線は単位セル２４０１を示す。各電極２４１０、２４２０は、当該電極が配置された平面に平行な中心軸ＡCを有する。図２４の好適なＣＥＳＤでは、使用中に電極２４１０と２４２０とが互いに逆の極性を有する。所定層内の各電極（例えば、所定層内のすべての電極２４１０）は使用中に同じ極性を有する。誘電体材料２４３０が、電極２４１０、２４２０間の空間を占めて、これらの電極に接触する。互いに異なる極性の隣接する電極２４１０、２４２０間に位置する誘電体材料２４３０の領域が容量性素子２４３５を規定する。任意の所定層内の電極２４１０は他の層内の電極２４１０と垂直方向に整列している。任意の所定層内の電極２４２０は、他の層内の電極２４２０と垂直方向に整列している。一部の実施形態では、ＣＥＳＤ２４００が、ＣＥＳＤの４つの側端を規定する四角形の形状を有する。各電極の一方の端部（例えば、電極端部２４１２、２４２２）が、ＣＥＳＤの１つの側端において誘電体材料２４３０から突出して電気接続を行うことができることが有利である。特定の実施形態では、ＣＥＳＤ２４００の隣接する２つの側端、例えば側端Ａ及びＢに導体材料を付加して、突出した端部２４１２が、ＣＥＳＤ２４００の１つの側端上でこの導体材料に接触して、この導体材料により並列に電気接続され、突出した端部２４２２が、ＣＥＳＤ２４００の隣接する側端上でこの導体材料に接触して、この導体材料により並列に電気接続されることが有利である。使用中には、ＣＥＳＤの１つの側端上の上記導体材料が電圧源に接続され、ＣＥＳＤの隣接する側端上の上記導体材料がＶssに接続される。
独立した実施形態では、ＣＥＳＤ２４００の最下層内の電極、例えば最下層内の電極２４１０どうしが電気相互接続体２４４０により直列に接続され；ＣＥＳＤ２４００の最上層内の電極、例えば最上層内の電極２４２０どうしが電気相互接続体２４５０により直列に接続される。
一実施形態では、２つ以上の層内の所定極性の電極どうしが直列に接続され、例えば、垂直方向に整列した電極２４２０どうしが電気相互接続体２４４０を用いて直列に接続される。他の実施形態では、所定層内の電極（即ち、水平方向に整列した所定極性の電極）どうしが電気相互接続体２４５０を用いて直列に接続される。
図２４の好適なＣＥＳＤでは、電極２４２０が電極２４１０に対して直角に配向されている。しかし、垂直な配向は要件ではない。図２５に積層ＣＥＳＤ２４００ａを示し、積層ＣＥＳＤ２４００ａは、積層したｎ個の平面または層内に配置された、平行な電極のｎ個のグループを含み、交互する第１電極２４１０ａの層及び第２電極２４２０ａの層を具えている。各電極２４１０ａ、２４２０ａは、当該電極が配置された平面に平行な中心軸ＡCを有する。誘電体材料２４３０ａが、電極２４１０ａ、２４２０ａ間の空間を占めて、これらの電極に接触する。使用中には、電極２４１０ａと２４２０ａとが互いに逆の極性を有する。互いに逆の極性の隣接する電極間に位置する誘電体材料２４３０ａが容量性素子２４３５ａを規定する。電極２４１０ａ及び２４２０ａは互いに対して直角に配向されていない。これとは対照的に、電極２４２０ａは電極２４１０ａに対して９０°の角度から回転している。図２５では、この回転角が直角から３０°である。しかし、この回転角は３０°に限定されない。この回転角は、例えば、０～９０°、０～４５°、５～４５°、１０～４５°、１５～４０°、または２０～３５°の範囲内、例えば、０°、５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°、４０°、または４５°の回転角にすることができる。さらに、図２４の好適なＣＥＳＤ２４００ａでは、電極２４１０ａの各層の配向は同じであり、電極２４２０ａの各層の配向は同じであるが、構成はそのように限定されない。実際には、連続する電極の層の各々を直下の平面（層）に対して回転させ、これにより、電極のねじり螺旋形状（図示せず）を作製することができる。
図２６Ａ～２６Ｄに積層ＣＥＳＤ２６００を示し、積層ＣＥＳＤ２６００は、積層したｎ個の平行な平面または層内に配置された平行な電極のｎ個のグループを含み、電極２６１０、２６２０の平面または層を具えている。図２６ＡはＣＥＳＤ２６００の透視図であり、図２６Ｂは下面図であり、図２６Ｃ及び２６Ｄは、それぞれ、オフセットした電極及び垂直方向に整列した電極の側面図である。点線は単位セル２６０１を示す。各電極２６１０、２６２０は、当該電極が配置された平面に平行な中心軸ＡCを有する。誘電体材料２６３０が、電極２６１０、２６２０間の空間を占めてこれらの電極に接触する。電極２６１０、２６２０は使用中に互いに逆の極性を有する。互いに逆の極性の隣接する電極間に位置する誘電体材料２６３０の領域が容量性素子２６３５を規定する。各層内では、電極２６１０と２６２０とが交互する。従って、各層は極性が交互する複数の電極を含む。ＣＥＳＤ２６００は、４つの側端Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを規定する四角形の形状を有することができる。各電極の一方の端部、例えば電極端部２６１２、２６２２が誘電体材料２６３０の１つの側端から突出して電気接続を行うことができることが有利である。電極は各層内で極性が交互するので、電極端部２６１２、２６２２は、ＣＥＳＤ２６００の互いに反対側の側面、即ち側面Ａ、Ｃから突出する。同様に、電極端部２６１４、２６２４は、ＣＥＳＤ２６００の残りの２つの互いに反対側の側面、例えば側面Ｂ、Ｄから突出する。一部の実施形態では、ＣＥＳＤ２６００の４つの側端の各々に導体材料が付加されて、各側端から突出する電極端部が、当該側端上の導体材料に接触して、この導体材料により並列に電気接続される。隣接する２つの側端上の導体材料は電圧源に接続され、残りの２つの側端上の導体材料はＶss、例えば接地に接続される。例えば電極端部２６１２、２６１４に接触する導体材料は電圧源に接続することができ、電極端部２６２２、２６２４に接触する導体材料はＶssに接続することができる。その代わりに、ＣＥＳＤの側端上の電気相互接続体を用いて、特定平面内の所定極性の電極どうしを直列に接続することができ、ＣＥＳＤの反対側の側端上の電気相互接続体を用いて、その特定平面内の逆の極性を有する電極どうしを直列に接続することができる。
図２６Ａ及び２６Ｃに示す積層ＣＥＳＤ２６００には、平面／平面のオフセットが存在して、交互する層内の同じ配向を有する電極、例えば第１層内と第３層内の電極どうし、あるいは第２層内と第４層内の電極どうしは互いに垂直方向に整列しない。しかし、一部の例では、オフセットをなくして、交互する層内の同じ配向を有する電極が互いに垂直方向に整列するようにすることができる（図２６Ｄ）。図２６の好適な実施形態では、各層内の電極が隣接する層内の電極に対して直角に配向することができる。しかし、ＣＥＳＤ２４００ａ（図２５）に関して上述したように、任意の層内の電極は隣接する層内の電極に対して０～９０°回転させることができる。回転の角度は、例えば、０～４５°、５～４５°、１０～４５°、１５～４０°、または２０～３５°の範囲内、例えば、０°、５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°、４０°、または４５°の回転角にすることができる。さらに、連続する電極層の各々を、この直下の平面に対して回転させ、これにより電極のねじり螺旋形状（図示せず）を作製することができる。
図２４～２６中の電極２４１０、２４１０ａ、２４２０、２４２０ａ、２６１０、及び２６２０は直円柱の形状を有するように図示しているが、これらの電極は、その代わりに複雑な表面の幾何学的形状を有することができることは明らかである。例えば、これらの電極は、半円形、楕円形、または多角形の断面領域を有することができる。他の例として、これらの電極は、規則的または滑らかな表面、あるいは不規則または粗い表面を有することができる。
さらに他の例では、電極をねじれた、あるいは波状のワイヤまたはトレースとすることができる。図２７Ａに、複数の、平行な、ねじれた、あるいは波状の電極２７１０を示し、これらの電極は以上の実施形態において用いることができる。「平行な」とは、隣接する電極内の曲線が互いに同相であることを意味する。例えば、ｘ軸が電極２７１０の全長に沿って延びて、曲線がｘ軸に対して正及び負の振幅を有する場合、ｘ軸に沿った任意の所定距離にある、隣接する任意の２つの電極の曲線の頂点Ａ（即ち、最大偏位の点）は、ｘ軸から同じ向きを有する。これらの曲線は、ｘ軸からｙ方向またはｚ方向に偏位することができる。一部の実施形態では、ｘ軸に沿った任意の所定距離にある、隣接する任意の２つの電極が、同じ、あるいはほぼ同じ振幅及びｘ軸からの向きを有し、これにより、隣接する電極間の距離Ｄは、ｘ軸の全長に沿って同一、あるいはほぼ同一である。電極２７１０の各々は同じ極性を有する。図２７Ｂは、交互する電極２７１０、２７２０が互いに逆の極性を有する他の平行な配列を示す。
図２８Ａに、複数のねじれた、あるいは波状の電極２７１０を含む逆平行な配列を示し、電極２７１０の各々は同じ極性を有する。「逆平行な」とは、隣接する電極における曲線が互いに位相がずれている、例えば１８０°位相がずれていることを意味する。例えば、ｘ軸が電極２７１０の全長に沿って延び、曲線がｘ軸に対して正及び負の振幅を有する場合、ｘ軸に沿った任意の所定距離にある、隣接する任意の２つの電極の曲線は、ｘ軸から互いに逆の向きを有する。これらの曲線はｘ軸からｙ方向またはｚ方向に偏位することができる。一部の実施形態では、ｘ軸に沿った任意の所定距離にある、隣接する任意の２つの電極の曲線の頂点は、同じ、あるいはほぼ同じ振幅を有するが、ｘ軸から互いに逆の向きを有し、このため、隣接する電極間の距離は、ｘ軸の全長に沿って、最大距離Ｄ1から最小距離Ｄ2まで変化する。図２８Ｂに他の逆平行な配列を示し、この配列では、交互する電極２７１０、２７２０が互いに逆の極性を有する。電極どうしが互いにより近接する所ほど、増加した電界を生成することができる。これらの領域内のエネルギー蓄積は、電界の増加及びその形状に起因して、より大きくなる。
追加的な例では、波状のワイヤ型電極を、当該電極の表面に沿った周期的な突起またはバンプを含むワイヤで形成することができる。図２９Ａに複数の平行な電極２９１０を示し、各電極２９１０は当該電極の全長に沿った周期的な突起２９１２を含む。電極２９１０の各々は同じ極性を有する。図２９Ｂに他の平行な配列を示し、この配列では、周期的な突起２９１２を有する電極２９１０と、周期的な突起２９２２を有する電極２９２０とが交互し、これらの電極は互いに逆の極性を有する。図３０Ａに逆平行な配列を示し、この配列では、電極２９１０の各々が同じ極性を有する。図３０Ｂに他の逆平行な配列を示し、この配列では、交互する電極２９１０、２９２０が互いに逆の極性を有する。
図２４～２６に例示する積層ＣＥＳＤは、外部から電極への接続用のエッジコネクタ（図示しないが、図２３のエッジコネクタ２２１５、２２２５と性質が同様である）、及び／または、上記積層配列の１つ以上の側端に接触する非導電性の封止材料（図示しないが、図２３の非導電性の封止材料２２６０と性質が同様である）をさらに含むことができることは、通常の当業者が理解する所である。上記積層ＣＥＳＤは、非導電性の封止材料を当該積層ＣＥＳＤ（図示せず）の上面及び下面上にさらに含むことができる。この非導電性の封止材料は、積層ＣＥＳＤを電気絶縁すること、流体の誘電体材料を用いる際に流体に抵抗を与えること、及び／または追加的な機械的強度を積層ＣＥＳＤに与えることができる。適切な非導電性の封止材料は、重合ｐ－キシリレン（例えば、プラレン（登録商標）ポリマー）、ｐ－キシリレン及びコモノマーから成るコポリマー、またはポリエチレン・テレフタレートを含むが、これらに限定されない。
図２４～２６の積層ＣＥＳＤへの電気接続は、種々の異なる方法で行うことができる。一部の例では、適切な極性への電気接続は、最上及び最下の電極層のみに行うことができ、内側の層は「フロート（浮遊）」状態にしておくことができる。しかし、層の数は限られる、というのは、デバイス全体の両端間の電圧が非常に高い値に増加するからである。その代わりに、個別の電極層を、直交する平面内または複数の直交する平面内の対応する極性に接続することができる。エッジ接続はいくつかの利点を有し、これらの利点は、個別の電極が、流動する電荷へのより低い抵抗及びインピーダンスの接続を行うことを含み、ＣＥＳＤは、より大きな次元数に接続することが比較的容易になる。エッジ接続を促進するために、所定極性の電極を、逆の極性の電極よりも多数、所定の側面から突出させることができる。このようにして、導体材料をその側面全体に付加して、並列の電気接続を、個別の電極と電気的バスとの間で行うことができる。積層ＣＥＳＤの他の側面も同様に処理することができる。積層ＣＥＳＤの各層が、極性が交互する複数の電極を含む際には、ＣＥＳＤの互いに反対側の側面を用いて接続を行うことができる。残りの２つの側面は、隣接する平面内の電極への接続用に用いられ、これらの電極は図２４～２６に示すように異なる配向を有する。
図３１に、円筒形の形状を有する好適な管状積層ＣＥＳＤ３１００の断面図を示す。積層ＣＥＳＤ３１００の要素間の明らかな隙間は、明瞭にする目的で示すに過ぎず、実際のデバイス内には存在しない。図３１の実施形態では、第１電極３１１０が、円筒形の形状、内向きの表面３１１０ａ、外向きの表面３１１０ｂ、及び外径Ｄ1を有する。第１電極３１１０は、図に示す中空の金属管のような中空管とすることができる。第１電極３１１０は、金属の固体管（図示せず）のような固体管とすることができる。第１電極３１１０が固体管である際には、この電極が内向きの表面を有さないことは明らかである。第２電極３１２０は、円筒形の形状、内向きの表面３１２０ａ、外向きの表面３１２０ｂ、及び内径Ｄ2を有する。第１及び第２電極３１１０、３１２０は、第１電極３１１０が、第２電極３１２０の内向きの表面３１２０ａによって規定される空間内に位置するように配置することができる。
誘電体材料と導体材料とを交互に具えた積層配列が、第１電極の外向きの表面と第２電極の内向きの表面との間に、誘電体材料層と導体材料とが同心で交互する形で配置されている。この積層配列はｘ個の誘電体材料層を含み、ここに(i)ｘは２以上の整数であり、(ii)誘電体材料の第１層３１４０ａは、第１電極３１１０の外向きの表面３１１０ｂに直接接触し、(iii)誘電体材料の第ｘ層３１４０ｘは、第２電極３１２０の内向きの表面３１２０ａに直接接触する。この積層配列はｙ個の導体材料層をさらに具え、ここにｙ＝ｘ－１であり、導体材料層は、隣接する各誘電体材料層の対の間に配置される。誘電体材料及び導体材料は前述した通りである。
管状の積層ＣＥＳＤ３１００の実施形態は、ｘ個の誘電体材料層３１４０及びｙ個の導体材料層３１５０を含み、ここにｘは２以上の整数であり、ｙ＝ｘ－１である。理論的観点からは、層の数は基本的に無制限である。しかし、層の数は、実際には、製造上の制約（例えば、再現可能な厚さを有する多数の層を形成するに当たっての困難さ）によって制限される。一部の実施形態では、ｘが２～５０００、２～１０００、２～５００、２～１００、２～５０、２～２５、２～１０、または２～５である。例えば、ｘは２、３、４、５、６、７、８、９．または１０とすることができる。こうした構成では、ｙは、それぞれ１、２、３、４、５、６、７、８、または９とすることができる。図３１の非限定的な好適な積層ＣＥＳＤでは、ｘが３でありｙが２である。
任意で、上記管状の積層ＣＥＳＤ３１００は、図３２に示すように、第２電極３１２０の外向きの表面３１２０ｂに接触する外側の非導電性封止材料３１６０をさらに具えている。所望すれば、外側の非導電性封止材料は、管状の積層ＣＥＳＤ３１００の外面全体に付加することができる。外側の非導電性封止材料は、管状の積層ＣＥＳＤを電気絶縁すること、流体の誘電体材料を用いる際に流体の流れに抵抗を与えること、及び／または管状の積層ＣＥＳＤに機械的強度を与えることができる。適切な非導電性封止の例は、重合ｐ－キシリレン（例えば、プラレン（登録商標）ポリマー）、ｐ－キシリレン及びコモノマーから成るコポリマー、ポリエチレン・テレフタレート、セラック、ポリウレタン、または架橋ポリウレタンを含むが、これらに限定されない。
図２２Ａ、２２Ｂ、３１、及び３２に示して開示する積層ＣＥＳＤの実施形態は、直列に接続された複数のコンデンサと同様に機能し、これにより、さもなければ従来のコンデンサに適した電圧よりも高い電圧の使用を可能にすることが有利である。図２２Ａ及び２２Ｂを参照すれば、第１電極２２１０と第２電極２２２０との間に印加される電圧が積層全体にわたって分割される。複数の誘電体材料層が同じ厚さを有する際には、電圧が均等に分割される。従って、５Vの好適な電圧を積層ＣＥＳＤ２２００の両端間に印加する場合、５つの誘電体材料層２２４０の各々の両端間に１Vの電圧降下が観測される。積層は、各個別の層への電気接続を行わなければならないことなしに、積層内の各導体層に高い電圧を印加する能力を保ちつつ、ＣＥＳＤの次元数を増加させる。この特徴は、誘電体の絶縁破壊を生じさせることなしに、単一の誘電体材料層を含むコンデンサに印加することができる電圧に比べて、より高い電圧を積層ＣＥＳＤに印加することを可能にする。さらに、開示する積層ＣＥＳＤの実施形態は、充電された後に検出される漏洩をごくわずかしか呈さず、既知の電解コンデンサに比べて大幅に延長された期間にわたって電荷を保持することができる。
以上の実施形態のいずれか、あるいは全部における電極は、任意の導体材料とすることができる。好適な材料は、導電性カーボン、カーボン（炭素）以外の導電性有機材料、導電性の金属、または半導体を含むが、これらに限定されない。
一般に、開示するＣＥＳＤのうちの２つ以上を直列または並列に接続することができ、このことは電気回路の通常の当業者の理解する所である。しかし、図２０及び２１に示す管状のＣＥＳＤは、一般に並列に接続されて、二接続デバイスを提供する。ＣＥＳＤの直列または並列接続は、製造の時点で、あるいはその後にエンドユーザが行うことができる。
ＣＥＳＤの容量性素子への電気接続の選択的切り換えは、コンピュータ装置における使用向けの容量性素子の組合せを可能にする。図３３に示すように、個別の容量性素子を直列配置または並列配置の形に連結して、それぞれ加算／減算電圧、または平均電圧を提供することができる。例えば、積層ＣＥＳＤでは、第１の電極層内に隣接する２つの電極を活性化するようにスイッチを設定し、これにより、第１層の隣接する２つの電極間の容量性素子の両端間に電圧を印加することができる。第１層の他の領域内、あるいは他の電極層内に隣接する２つの電極を活性化するように追加的スイッチを設定し、これにより、当該他の領域または層内の１つ以上の容量性素子の両端間に電圧を印加することができる。これらのスイッチを外部的に、所望の構成に、例えば直列または並列に接続して、電気回路及び／またはコンピュータ装置の通常の当業者にとって周知の方法において望ましいように出力を組み合わせることができる。これらの電気接続を用いて数学的演算を実行することができ、そしてこれらのスイッチを装置のメモリ記憶装置として直接利用して、論理演算及び計算、並びに記憶しているデータの圧縮を実行することができる。
図３４に、２つの容量性素子の好適な接続を示し－これらの接続は、直列加算（直列接続による加算）、直列反転加算（直列接続による反転加算）、直列減算（直列接続による減算）、直列反転減算（直列接続による反転減算）、及び並列平均（並列接続による平均化）である。図示する概念を複数の容量性素子の集合に拡張し、これによりコマンドをｎ×ｍ個の素子に拡張することができることは、通常の当業者が理解する所である。演算子の連結を用いて、単一の演算サイクル内で構成して使用することができる新たな演算子を提供することができる。例えば、容量性素子のアレイを同時に他のアレイに分割する能力を用いて拡張数値分割を実行して、２サイクル演算において本質的に無制限の精度で分割を行うことができる。基本的な演算は：ADD(n)－ｎ個の素子を加算して合計を与える（２つの素子を加算することは、論理的ANDまたはNAND（論理積及び否定積）とすることもできる）；ADDI(n)－ｎ個の素子を加算して負の合計を与える；DIV(n,m)－ｎ個の素子をｍ個の素子で除算する；SUB(n,m)－素子ｎを素子ｍから減算する（２つの素子を減算することは、論理的ORまたはNOR（論理和または否定和）とすることができる）；SUBI(n,m)－素子ｍを素子ｎから減算する；AVE(n)－ｎ個の素子の平均出力を提供する；SFL(n)－ｎ個の素子を左シフトする；SFR(n)－ｎ個の素子を右シフトする。表２に、図３４に示す容量性素子のいくつかの好適な組合せから生じる出力電圧を示す。
Figure 0007031891000005
並列接続を用いて、多素子の論理演算子をアレイ上で実行することができる。発生する電圧平均化を用いて、出力端子上の全電圧を低減して、共通のデジタル電圧レベルを維持することができる。一部の実施形態では、センスアンプ及び／または比較器（コンパレータ）を用いて、接続された容量性素子が生成する電圧を復号化することができる。開示するＣＥＳＤ及びＣＥＳＤ積層の例を用いて、従来のコンピュータよりもずっと高速に、例えば従来のコンピュータよりも１００倍まで、あるいは２００倍まで高速に、論理演算及び計算を実行することができるコンピュータを製造することができることが有利である。
一部の実施形態では、ＣＥＳＤがエネルギー蓄積デバイスとして機能すると共にメモリデバイスとして機能する。例えば、図１０及び１１を参照すれば、エッジ行の電極グループ、及びこのエッジ行内の電極を含むすべての列グループを活性化させて、このエッジ行の電極間のすべての容量性素子を充電してエネルギーを蓄積する。ＣＥＳＤ内の他所の個別の電極をアドレス指定して、１つ以上の容量性素子を読み書きしてメモリ記憶を行う。図１９に概略的に示すように、論理回路を具えたスイッチングアレイ３１０及びコントローラ３２０を用いてＣＥＳＤを動作させることができる。
ＩＩＩ．誘電体及び絶縁材料
開示するＣＥＳＤの実施形態は、シリコン・ダイオードよりも大きい、例えば３．９よりも大きい相対誘電率を有する。一部の実施形態では、誘電体材料が液体の特性を有し、ハチミツと同様またはより大きい粘度を有する。特定の実施形態では、誘電体材料が０．５cP以上の粘度、例えば１０，０００cPから２５０，０００cPまでの粘度を有する。独立した実施形態では、誘電体材料が固体である。
誘電体材料は導電性をほぼなくすことができ；換言すれば、誘電体材料は電極またはその付近で酸化／還元をされず、オーム抵抗的導電性を呈しない。他の実施形態では、誘電体材料が導電性である。誘電体材料は、導電性ポリマーまたは非導電性ポリマー、無機金属酸化物、混合金属酸化物、ポリマーと無機材料との混合物、あるいはその組合せを含むことができる。一部の例では、ポリマーがバイオポリマーである。
一部の実施形態では、誘電体材料が、極性官能基及び／またはイオン性官能基を有するポリマー分子を含んで、分子間双極子及び双極子モーメントを生じさせる。これらのポリマー分子は１つ以上の二重結合をさらに含むことができる。一部の実施形態では、これらのポリマー分子が極性ポリマーである。タンパク質は、容易に入手可能で安価な、低い毒性を有する極性ポリマーである。こうした低毒性は、他のポリマーに対する大きな利点であり、ＣＥＳＤをリサイクル（再利用）または焼却処分することを可能にする。タンパク質分子は、極性及び／またはイオン性官能基を有するアミノ酸を含む。他の適切なポリマーは、置換（例えば、フッ素化）及び非置換パリレン・ポリマー、ポリプロピレン、アクリル酸ポリマー、メタクリル・ポリマー、ポリエチレン・グリコール、ウレタン・ポリマー、エポキシ・ポリマー、シリコーン・ポリマー、有機テルペノイド・ポリマー、天然有機ポリマー（例えば、セラックのような樹脂）、ポリイソシアネート、及びその組合せを含むが、これらに限定されない。アクリレート・コポリマー（例えば、エチレン、ブチル・アクリレート、エチル・アクリレート、及びメチル・アクリレートを有するコポリマー）、及びパリレン・コポリマー（例えば、アクリレート（例えば、２－カルボキシルエチル・アクリレート）、メタクリレート（例えば、３－(トリメトキシシリル)プロピル・メタクリレート）、α－ピネン、Ｒ－(－)カルボン、リナロール、シクロヘキセン、ジペンテン、α－テルピネン、Ｒ－(＋)－リモネン、及びその組合せを有するｐ－キシリレンのコポリマー）のようなコポリマーも本発明の範囲内である。極性ポリマーの非限定的な例は、ゼイン、麻タンパク質、小麦グルテン、ポリ(アクリル酸－co－マレイン酸)、ポリ(アクリル酸)、乳漿タンパク分離株、大豆タンパク分離株、エンドウタンパク抽出物、セラック、及びその組合せを含む。
特定の実施形態では、ポリマー分子を誘導体化して、その後の、裸電極表面（即ち、地金または炭素の表面）、あるいは複合電極表面へのポリマー分子の結合を促進する官能基のような追加的官能基を付着させる。好適な誘導体化剤は、無水物、カルボジイミド、イミドエステル、及びＮ－ヒドロキシサクシンイミドとマレイミド基、アリールアジド基、またはジアジリン基との組合せを含む試薬を含むが、それに限定されない。一部の例では、上記ポリマーが、無水マレイン酸、無水イタコン酸、シス（cis）－４－シクロヘキセン－１，２－無水ジカルボン酸、またはシス－５－ノルボルネン－エンド－２，３－無水ジカルボン酸のような無水物で誘導体化されている。誘導体化されたポリマー分子は、架橋することによって、あるいは表面との他の反応によって電極表面に結合することができる。ポリマー分子は、誘電体内の他の１つ以上のポリマー分子で架橋することもできる。ポリマー分子を、例えば無水マレイン酸で誘導体化すると、誘導体化されたポリマー分子を二重結合により架橋することができる。架橋は、化学薬品（例えば、ラジカル開始剤）、紫外光活性化、または熱活性化のような任意の適切な手段によって実行することができる。非導電性の光誘電率誘電体の２つの非限定的な例は、セラック基質（マトリクス）内のゼイン、及び無水マレイン酸で誘導体化したタンパク質である。
上述した特性を有するポリマー分子は、立体的に拘束すると、ポリマー分子が逆極性の電極間を自由に移動することができなくてもエネルギー蓄積用に用いることができることを、発明者は驚くべきことに発見した。電極、及びポリマー分子を含む誘電体材料を含むエネルギー蓄積デバイスを充電及び／または放電する前に、当該ポリマー分子を何らかの手段で裸電極表面に、あるいは複合電極の非導電性コーティングまたは絶縁コーティングに結合することによって、当該ポリマー分子を立体的に拘束することができ、これらの手段は、共有結合（単結合または多重結合）、ファン・デル・ワールス（van der Waals）力、または水素結合を含む。
いずれの特定の動作理論にも束縛されることを望まずに、巨大分子内では、当該分子の他の部分は定位置に束縛しつつ、当該分子の一部分のみに運動を生じさせて、より低いエネルギーレベルへの全体的移動、及びその後の、電極に結合され、熱運動として放出されないポテンシャル・エネルギーの放出を十分に防止することができるものと確信する。こうした運動の拘束は、誘電体分子内の自由度を低下させ、その結果、分子が吸収したエネルギーを電界から熱として消散させる能力を低下させる。従って、束縛されたポリマー分子は、当該ポリマー分子が、その低下した自由度に起因して、エネルギーを熱の形態で放出することができないような方法で電界に結合される。高分子（巨大分子）の特定部分の運動は、こうした技術を用いて生物高分子を分析する当業者にとって既知である電気泳動に関係し、電気泳動と同様である。
それに加えて、いずれの特定の動作理論にも束縛されることを望まずに、ポリマーの一部分が電極（または電極上のコーティング）に束縛されると、ポリマーの残り部分は誘電体膜内で伸張する、ねじれる、あるいは屈曲するものと確信する、というのは、極性及び／またはイオン性官能基が電界に応答して再配向されるからである。これらの配座及び位置の変化により、エネルギー蓄積デバイス内のエネルギーが蓄積される。エネルギー蓄積デバイスが放電する際に、蓄積されたエネルギーとして放出される、というのは、束縛されたポリマー分子がより無秩序の配座に戻るからである。少なくとも一部のポリマー分子の自由度が低下したポリマー分子を含む誘電体材料は「立体的に拘束された」誘電体材料と称される。
一部の実施形態では、上記誘電体材料が、有機ポリマー及び高誘電率の化合物を含み、高誘電率の化合物は、例えば無機塩、あるいは金属カチオン及び有機アニオンを含む塩である。上記誘電体材料は溶媒をさらに含むことができる。適切なポリマーは、ゼイン、セラック、及びシリコーン油を含むが、それらに限定されない。一部の実施形態では、上記塩がＩＩＡ族またはＩＩＩＡ族の金属を含む。一実施形態では、上記無機塩が、水素化ホウ素ナトリウムまたはホウ砂のようなホウ素化合物である。無機塩が水素化ホウ素ナトリウムまたはホウ砂である際には、上記誘電体材料が水酸化アンモニウムをさらに含むことができる。独立した実施形態では、上記無機塩がチタン酸バリウムである。他の独立した実施形態では、上記無機塩がGd、Sr、またはSn塩である。さらに他の独立した実施形態では、上記無機塩が鉄塩のような遷移金属塩である。上記塩は、例えば炭酸塩とすることができる。上記無機塩が水素化ホウ素ナトリウムまたはホウ砂をさらに含むことができる。特定の実施形態では、上記誘電体材料が誘電率増加材料または絶縁破壊電圧アジュバント（補助薬）をさらに含む。この誘電率増加材料または絶縁破壊電圧アジュバントは、Y、Ni、Sm、Sc、Tb、Yb、La、Te、Ti、Zr、Ge、Mg、Pb、Hf、Cu、Ta、Nb、Bi、またはその組合せを含むことができ、これらは材料全体にわたって均等に分布する。
特定の例では、上記誘電体材料が、マレイン酸で誘導体化して炭酸塩電中和したゼインタンパク質を含む。
一部の実施形態では、上記誘電体材料が二酸化シリコンよりも高い、即ち３．９よりも大きい相対誘電率を有する。特定の実施形態では、上記誘電体材料が液体特性を有し、ハチミツと同様、またはそれよりも高い粘度を有する。この誘電体材料は、０．５cP以上の粘度、例えば０．５cPから２５０，０００cPまで、１０cP～２５０，０００cP、１００cP～２５０，０００cP、５００cP～２５０，０００cP、１，０００cP～２５０，０００cP、５，０００cP～２５０，０００cP、または１０，０００cP～２５０，０００cPの粘度を有することができる。
一部の実施形態では、本明細書中に開示するように、上記誘電体材料が、３．９よりも大きい相対誘電率を有する電子エントロピー誘電体材料である。この電子エントロピー誘電体材料は、複数の前述したポリマー分子を含むことができる。一部の例では、これらのポリマー分子が、タンパク質、ポリ(ｐ－キシリレン)ポリ(マレイン酸)、アクリル酸ポリマー、メタクリル酸ポリマー、ポリエチレン・グリコール、ウレタン・ポリマー、エポキシ・ポリマー、シリコーン・ポリマー、テルペノイド・ポリマー、自然発生樹脂ポリマー、ポリイソシアネート、またはその組合せを含む。特定のＣＥＳＤでは、上記ポリマー分子が、ポリ(ｐ－キシリレン)、ゼイン、ポリ(マレイン酸)、セラック、シリコーン油、またはその組合せである。
各誘電体材料層は、０．０００１μmから１００００μmまでの厚さＴD（図２９中に示す）、例えば０．０００５～１００００μm、０．０００５～１０００μm、０．０００５～１００μm、０．００１～１００μm、０．０１～１００μm、０．０５～１００μm、０．１～５０μm、０．５～１０μm、または１～５μmの範囲内の厚さを有することができる。一部の実施形態では、各誘電体材料層の厚さが同じである。「同じ」とは、各層の厚さが層の平均の厚さに対して±５％未満だけ、例えば層の平均の厚さに対して±２％未満だけ偏位することを意味する。
上記導体材料は、炭素質材料、金属、導電性ポリマー、またはその組合せを含む。炭素質材料は、導電性カーボンを含むあらゆる導電性材料を含み、導電性カーボンは、炭素粉末（カーボンパウダー）、グラフェン、黒鉛炭素、黒鉛化カーボン、部分的に黒鉛化したカーボン（例えば、２０重量％から９９重量％までの範囲内の黒鉛型構造の含有量）、活性炭、カーボンブラック、及び炭化ポリマー（一般に熱分解または化学処理によって少なくとも部分的に炭素または炭素含有残留物に変換されたポリマー）、またはその任意の組合せを含むが、これらに限定されない。適切な金属は、アルミニウム、銅、金、白金、銀、チタン、及びその組合せを含むが、これらに限定されない。特定の例では、上記導体材料が、炭素粉末、グラフェン、グラファイト、アルミニウム、ポリアニリン、またはポリ(Ｎ－メチルピロール)を含むかそれらで構成されるが、これらに限定されない。
適切な誘電体材料に関する追加的開示は、例えば、米国特許第８４３２６６３号明細書（特許文献１）、米国特許第８９４０８５０号明細書（特許文献２）、米国特許第９０１１６２７号明細書（特許文献３）、米国特許出願公開第２０１５／０００００９０号明細書（特許文献４）、米国特許出願公開第２０１５／００００８３３号明細書（特許文献５）、及び米国特許出願公開第２０１５／０１３１１９８号明細書（特許文献６）中に見出すことができ、これらの特許文献の各々は、その全文を参照することによって本明細書に含める。
上述したように、ＣＥＳＤは１つ以上の絶縁材料を電気接続体間に含むことができる。電極及び／またはその下層をなす基板も、絶縁材料または絶縁コーティングを有することができる。ＣＥＳＤは上部封止層をさらに含むことができる。これらの絶縁層及び／または封止層は１×１０-1S/mのオーム抵抗的導電率を有することができる。一部の実施形態では、上記絶縁層が、１×１０-2S/m、１×１０-5S/m、または１×１０-10S/mのオーム抵抗的導電率を有する。特定の実施形態では、このオーム抵抗的導電率が、１×１０-25S/mから１×１０-1S/mまで、１×１０-10S/mから１×１０-1S/mまで、または１×１０-5S/mから１×１０-1S/mまでである。上記絶縁層は、厚さを２、３ナノメートルから５０ミクロン以上までの範囲にすることができる。一部の実施形態では、上記絶縁層が、５nmから１０μmまでの平均の厚さ、例えば０．１～１０μm、０．３～１０μm、０．３～５μm、または０．３～２μmの平均の厚さを有する。上記封止層は、５０nmから５０mmまでの平均の厚さ、例えば５０nmから２５mmまで、または１００nmから１０mmまでの平均の厚さを有することができる。
好適な絶縁層または封止層は、重合ｐ－キシリレン、例えば米国特許出願公開第２０１４／０１３９９７４号明細書（特許文献７）に開示されたプラレン（登録商標）ポリマーであり、特許文献７はその全文を参照することによって本明細書に含める。上記絶縁層を適切なコモノマーで修飾して、増加した誘電率、及び／または誘電体材料のポリマー分子用の付着部位を提供する。一部の実施形態では、上記コモノマーが１つ以上の不飽和結合を含む。重合ｐ－キシリレンを含む絶縁層を、例えばコモノマーの含有によって修飾することができ、このコモノマーは、オレフィン、ビニール誘導体、アルキニル誘導体、アクリル化合物、アリル化合物、カルボニル、環状エーテル、環状アセタール、環状アミド、オキサゾリン、及びその組合せを含むが、これらに限定されない。一部の実施形態では、上記コモノマーが、アクリレート（例えば、２－カルボキシルエチル・アクリレート）、メタクリレート（例えば、３－(トリメトキシシリル)プロピル・メタクリレート）、α－ピネン、Ｒ－(－)カルボン、リナロール、シクロヘキセン、ジペンテン、α－テルピネン、Ｒ－(＋)－リモネン、及びその組合せである。上記コポリマーは、交互するモノマーを含むことができ、あるいはブロック・コポリマーの形態とすることができる。
ＩＶ．ＣＥＳＤを作製する方法
図３５の流れ図に示すように、図２～１８に開示するＣＥＳＤを作製する方法は、電極間に空間を有し、少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込まれるか誘電体材料に接触する電極のアレイを形成するステップであって、この電極のアレイは、単一の平面内に配列された電極のｎ個のグループを含み、ここにｎは２以上の整数であり、各電極は、この平面に直交する中心軸を有するステップ（ステップ３５０１）と；各グループの電極を電気相互接続体に直列に接続し、これによりＣＥＳＤを形成するステップ（ステップ３５０２）とを含む。
一部の実施形態では、少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込まれるか誘電体材料に接触する電極を形成するステップが、上記電極のアレイを形成するステップ（ステップ３５０１ａ）と、次に、この誘電体材料を電極間の空間内に配置するステップ（ステップ３５０１ｂ）とをさらに含む。これらの電極は任意の適切な手段によって形成することができ、これらの手段は、ナノリソグラフィー、マイクロリソグラフィー、シャドーマスク重合、レーザー加工、インプリント、インクジェット、グラウバー（grauver）、フレキソ印刷、またはスクリーン印刷プロセスによってこれらの電極を基板上に形成することを含むが、プロセスはこれらに限定されない。一部の実施形態では、上記基板が非導電性の表面であり；他の実施形態では、上記基板が除去可能な担体である。特定の実施形態では、上記電極のアレイを、ロール・ツー・ロール（Ｒ２Ｒ：roll-to-roll）ナノインプリント・リソグラフィー（ＮＩＬ：nanoimprint lithography）のようなナノリソグラフィーを用いて形成し、ここでは、フレキシブル基板上に層をなす電極材料を剛体スタンプ上で圧力を加えて回転させ、これにより電極材料をパターン化して電極のアレイを形成する（例えば、Kooy他、”Nanoscale research Letters 2014”、9:320（非特許文献２）参照）。Ｒ２Ｒ ＮＩＬは、真空処理を必要としないデバイス製造の解決策を提供することが有利である。代案の方法では、マイクロエレクトロニクスの製造業者にとって周知のもののような真空プロセスを用いて電極のアレイを形成することができる。シャドーマスクを利用する単純なフォトリソグラフィーのような代案の方法も可能である。真空紫外光よりも長い波長でのフォトリソグラフィーのような非接触プロセスの利点は、明らかな利点である。これらの利点は、真空プロセスを必要としないことと合わせると、本発明の経済的な製造方法によって強い根拠をなす。一実施形態では、上記電極が金属であり、コンデンサ生産の当業者にとって周知の方法によって陽極酸化されている。独立した実施形態では、上記電極が、プラレン（登録商標）ポリマー（ポリ－ｐ－キシリレン）コーティングのような絶縁層または絶縁コーティングでコーティングされている。プラレン（登録商標）ポリマー（ポリ－ｐ－キシリレン）コーティング及び同様なコーティングを形成する方法は、米国特許第８６３３２８９号明細書（特許文献８）及び米国特許出願公開第２０１５／００１７３４２号明細書（特許文献９）にさらに記載され、これらの特許文献はその全文を参照することによって本明細書に含める。電極上のポリ(ｐ－キシリレン)絶縁コーティングは、電界または磁界の存在下で形成することができる。一実施形態では、１００V/cmよりも高い直流電界の存在下で絶縁コーティングを形成する。上記基板／担体及び電極は、例えば、絶縁コーティングを当該電極に付加する間に直流電界に浸すことができる。他の実施形態では、上記絶縁コーティングを１ガウスよりも高い磁界中で形成し、この磁界は、絶縁コーティングを付加する間に、上記基板／担体及び電極を磁気源の磁北極と磁南極との間に配置することによって与えることができる。上記電極材料は、電極メッキ法または空間的な原子層堆積（ＡＬＤ：atomic layer deposition）法によって提供することができる。
上記誘電体材料は、任意の適切な手段によって電極間の空間内に配置することができ、これらの手段は、ビスコース誘電体のような溶剤型誘電体を基板上に流動させること、誘電体を基板上へ噴霧すること、気相堆積法、または薄膜形成の当業者にとって既知の他の方法を含むが、これらに限定されない。一部の例では、上記誘電体を、例えば、蒸発によって溶媒を除去することによって、あるいは誘電体材料内のポリマーを架橋することによって、誘電体を凝固（固化）させる。除去可能な担体は、その後に、任意の適切な方法によって除去することができる。例えば、水溶性ポリマーを含む除去可能な担体は、水に溶解させて除去することができる。
代案の方法では、誘電体材料層を（例えば、気相堆積法、液体噴霧、スクリーニング、スピンコーティング、加圧成形、または薄膜形成の当業者にとって既知の他の方法によって）基板上に形成し（ステップ３５０１ｃ）、電極を少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込むか誘電体材料に接触するように配置して、電極のアレイを形成する（ステップ３５０１ｄ）。一部の実施形態では、誘電体材料層を基板または除去可能な担体膜に付加する。液体の場合、誘電体膜を処理する前に低温（例えば、２５～６０℃）で部分的に乾燥させることができる。他の独立した実施形態では、誘電体材料層を導体表面上に押圧してマスキング層として機能させる。この誘電体材料は、基板及び絶縁層の両方として機能すると共に、エネルギー蓄積用の媒体として機能することができる。特定の実施形態では、誘電体材料を、例えば、Ｒ２Ｒ ＮＩＬのようなナノインプリント・リソグラフィーによって、あるいはフォトレジスト・マスクによるようなレーザーまたは化学エッチングによってパターン化する。次に、パターン化した誘電体材料内のキャビティに適切な電極材料を充填する。独立した実施形態では、例えば、誘電体材料が粘性のある液体または半固体状態である間に、事前に形成した電極を誘電体材料内に挿入する。他の独立した実施形態では、表面上での適切な化学反応を用いて、電極（例えば、炭素電極）を誘電体材料内または誘電体材料上にその場で生成することができる。グラフェン、及び酸化グラフェン・インクのようなカーボンインク、及び焼結法も、導体電極及び相互接続体を形成するための代案の方法になり得る。
上記の製造プロセスによる電極の形状は実際には円柱形にすることができ、あるいは、これらの電極は、加圧、成形、またはエッチング・プロセスにより、扁平な円柱形、または他の幾何学的形状にすることができる。特に対をなす電極を基本的に互いに平行または直角に配向させる際には、曲面の電極面は、複雑な間隔及び幾何学的検討を有する。角度をつけた配向は、単一層上での高密度の静電容量または単位セルのアドレス指定が望まれる際に有利であり得る。
一部の実施形態では、上記誘電体材料が、ポリマー分子を含む電子エントロピー材料のようなエントロピー材料であり、上記薄膜材料を、溶媒及び複数のポリマー分子を含む液体または懸濁液（スラリー）から用意する。適切な溶媒は、アルカノール、アルカリ・グリコール、ラクトン、炭酸塩、水、及びその組合せを含むが、これらに限定されない。好適な溶媒は、エタノール、エチレン・グリコール、水、ラクトン、炭酸塩、及びその組合せを含む。一部の実施形態では、上記ポリマー分子が１つ以上の極性官能基、イオン性官能基、またはその組合せを含む。上記ポリマー分子は１つ以上の二重結合を含むこともできる。適切なポリマー分子は上述した通りである。特定の実施形態では、例えば混合物をフィルタ処理または遠心分離することによって、不溶解のポリマー分子を混合物から除去する。
上記液体または懸濁液は、架橋剤をさらに含むことができる。適切な架橋剤は、無水物、カルボジイミド、イミドエステル、ホウ砂塩、ホウ化水素ナトリウム、及びＮ－ヒドロキシサクシンイミドとマレイミド、アリールアジド、またはジアジリン基との組合せを含む試薬を含むが、それらに限定されない。一般的な架橋剤は、トリアリルトリアジントリオン、及びポリマー化学に精通した者にとって既知の他のトリアリルまたはトリビニル試薬を含む。好適な無水物は、無水マレイン酸、無水イタコン酸、無水シス－４－シクロヘキセン－１，２－ジカルボン酸、無水シス－５－ノルボルネン－エンド（endo）－２，３－ジカルボン酸、及びその組合せを含む。
一部の実施形態では、上記液体または懸濁液が、ポリマー分子間の架橋を初期化するためのラジカル開始剤のような開始剤をさらに含む。好適な開始剤は、１，１’－アゾビス(炭窒化シクロヘキサン)、過酸化ジクミル、２－ヒドロキシ－２－メチルプロピオフェノン、カンファーキノン、フェナントレンキノン、及びその組合せを含む。一例では、無水イタコン酸及び過酸化ジクミルを用いてゼイン分子どうしを架橋した。
ポリマー分子と一緒に有機塩を形成することができる塩、及び／または上記薄膜材料を中和することができる塩のような１つ以上の塩を、架橋が完了する前に上記液体または懸濁液に添加することができる。一部の実施形態では、炭酸塩（例えば、炭酸グアニジン、炭酸セシウム、炭酸ストロンチウム、またはその組合せ）を用いることができる、というのは、反応が二酸化炭素を放出して、誘電体膜の不所望な対イオン汚染を生成しないからである。一実施形態では、チタン酸バリウムを上記液体または懸濁液に添加する。独立した実施形態では、非導電性ポリマーのような電圧補助薬を添加する。
独立した実施形態では、誘電体膜のポリマー分子をその場で形成する。誘電体材料の液体または懸濁液は、架橋剤、及び複数のポリマー分子前駆体を含み、これらのポリマー分子前駆体は、１つ以上の極性官能基、イオン性官能基、またはその組合せを含む。一部の例では、上記前駆体がアミノ酸分子、オリゴペプチド、ポリぺプチド、またはその組合せである。特定の実施形態では、上記ポリマー分子前駆体がｐ－キシリレン・モノマーをさらに含む。一部の実施形態では、前述したように、上記液体または懸濁液を上記基板または除去可能な担体に塗布する。塗布後に、上記架橋剤を活性化させ、これによりポリマー分子前駆体どうしを架橋して、複数のポリマー分子を含む誘電体膜を提供する。この架橋プロセスは、ポリマー分子の一部を、上記基板または除去可能な担体層上に配置された電極の表面に、及び／または上記基板または除去可能な担体層に結合させることもできる。独立した実施形態では、上記液体または懸濁液を上記基板または除去可能な担体に塗布する前に架橋を開始することができる。
電極のグループは、何らかの適切な手段によって電気相互接続体に直列に接続する。電極への電気接続は直接的にも間接的にもすることができる。直接的接続は、例えば、標準的なワイヤボンディング機または導電性接着剤を用いて行うことができる。一部の実施形態では、例えば、図９～１２に示すように、１つ以上のグループの電極を、主線から延びる分岐によって、分岐した電気相互接続体に接続する。
一部の実施形態では、誘電体膜、電極、及び電気相互接続体を組み立てた後に、ＣＥＳＤに電界を印加する。例えば、（例えば、図３～６または１５の実施形態では）電極の行を１行おきに活性化し、交互する行を接地する（Ｖssに接続する）ことによって、（例えば、図７～１４の例では）全部の行電気相互接続体を活性化し、全部の列電気相互接続体を接地することによって、あるいは（図１８の実施形態では）多重螺旋配置の場合に、他の電極を接地すると共に１つの電極を活性化することによって、直流電界を印加することができ、これにより、一部の電極が正電極として機能し、他の電極は負電極として機能する。一部の実施形態では、誘電体材料の平均の厚さに基づいて、０．０００１V/μmから１０００V/μm以上までの範囲内の印加電界を利用する。特定の実施形態では、印加電界が、ＣＥＳＤの意図した使用法に応じて、０．０００１V/μm～１００V/μm、１００V/μm～１０００V/μm、または１V/μm～５V/μmの範囲内である。電界を有効な期間だけ印加して、ポリマー分子の少なくとも一部を正に帯電した電極に結合させ、これにより立体的に拘束された誘電体膜を作製する。この有効な期間は、少なくとも部分的に電界強度に基づき、１秒から何分かまでの範囲、例えば３０秒から６０分まで、５分から３０分まで、または５分から１５分までの範囲にすることができる。一部の実施形態では、電界が０．０００５～６００V/μmであり、上記有効な期間が０．０００１秒から３０分までである。
独立した実施形態では、電極の少なくとも一部を絶縁層でコーティングし、誘電体膜を付加する前に上記ラジカル開始剤を塗布することができる。例えば、正電極に絶縁層を付加することができる。次に、ラジカル開始剤を活性化して、ポリマー分子の少なくとも一部を絶縁層に結合させて、立体的に拘束された通電体膜を作製することができる。好適なラジカル開始剤は、アゾビスイソブチロニトリル、１，１’－アゾビス(シクロヘキサン－カルボニトリル)、過酸化ジクミル、２－ヒドロキシ－２－メチルプロピオフェノン、カンファーキノン、フェナントレンキノン、その組合せ、及び重合の当業者にとって既知の他のラジカル開始剤を含む。このラジカル開始剤を、酸化－還元、光開始、熱開始、または重合の当業者にとって既知の他の方法で活性化し、これによりポリマー分子の少なくとも一部を電極上の絶縁層に結合させる。
他の独立した実施形態では、電極の少なくとも一部（例えば、正電極）を絶縁層でコーティングし、上記誘電体材料のポリマー分子を誘導体化剤で誘導体化して、電極の絶縁層へ架橋することができる官能基を提供する。その後に、ラジカル開始剤、紫外光、熱活性化、またはその組合せを用いることによって、これらの官能基を絶縁層へ架橋させ、これにより立体的に拘束された誘電体膜を作製する。好適な誘導体化剤は、無水物、カルボジイミド、イミドエステル、及びＮ－ヒドロキシサクシンイミドとマレイミド基、アリールアジド基、またはジアジリン基との組合せを含む試薬を含む。一部の実施形態では、誘導体化剤が、無水マレイン酸、無水イタコン酸、無水シス－４－シクロヘキセン－１，２－ジカルボン酸、または無水シス－５－ノルボルネン－エンド－２，３－ジカルボン酸のような無水物である。
図３６を参照すれば、例えば、図７～１４に示すように、電気相互接続体が互いに交差する実施形態では、上記方法が、電極間に空間を有し、少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込まれるか誘電体材料に接触する電極のアレイを形成するステップであって、電極のアレイは単一の平面内に配置された電極のｎ個のグループを含み、ここにｎは２以上の整数であり、各電極は、この平面に直交する中心軸を有するステップ（ステップ３６０１）と、第１グループの電極を第１電極相互接続体により直列に接続するステップ（ステップ３６０２）と、第２グループの電極を第２相互接続体により直列に接続するステップであって、第２電気相互接続体が第１電気相互接続体と交差する各交点に垂直方向の空間的隔離が存在するようにするステップ（ステップ３６０３）とを含む。一部の実施形態では、上記方法が、第１グループの電極を第１電気相互接続体により直列に接続するステップ（ステップ３６０２ａ）と、電極のアレイ及び第１電気相互接続体上に絶縁層を配置して、第１電気相互接続体が絶縁層の下方にあるようにするステップ（ステップ３６０２ｂ）と、第２電気相互接続体を絶縁層上に配置して、第２電気相互接続体が、絶縁層の上方かつ第２グループの電極の上方に配置されるようにするステップ（ステップ３６０２ｃ）と、第２グループ内の電極のうちの１つの電極に対応する位置の各々に絶縁層を通るビアを形成し、これにより、第２の行電気相互接続体を第２グループ内の電極に直列に電気接続するステップ（ステップ３６０２ｄ）とを含む。絶縁層は、任意の適切な手段によって、例えば、まず第１電気相互接続体を第１グループの電極に接続した後に、部分的に組み立てられたＣＥＳＤ上に絶縁材料を流動させるか噴霧することによって付加することができる。一部の実施形態では、絶縁層がポリ(ｐ－キシリレン)である。絶縁層を通るビアを第２グループの電極の上方に形成して、第２電気相互接続体を付加して、これらのビアが第２電気相互接続体を第２グループの電極に接触するようにする。図７、８、及び１０～１４の好適な実施形態では、行電気相互接続体１１５が絶縁層１９０の上方にあり、列電気相互接続体１２５は絶縁層１９０の下方にある。
単位セルの構成では、複数の電気相互接続体の平面及び複数の絶縁層が存在し得る。例えば、図１６及び１７に示す単位セルは、４つの平面内に配置された電気相互接続体を含む。従って、一部の実施形態では、図示する単位セル及び／または単位セル・アレイが、４つの電気相互接続体の平面を分離するための３つの絶縁層を含む。ビアは、必要に応じて１つ、２つ、あるいは３つ全部の絶縁層を通って延びて、適切な下層の電極への接続体を提供する。
以上の実施形態のいずれか、あるいは全部では、上部封止層をＣＥＳＤ上に堆積させることができる。上部封止層は、例えばポリ(ｐ－キシリレン)のような絶縁層とすることができる。上部封止層は、任意の適切な手段によって、例えば、組み立てたＣＥＳＤ上に封止材料を流動させるか噴霧することによって堆積させる。
図３７は、図２２Ａ、２２Ｂ、２３、３１、及び３２に示す積層ＣＥＳＤを作製する方法の実施形態を示す流れ図である。この方法は、第１電極を用意するステップ（ステップ３７０１）と、誘電体材料層と導体材料層とが交互する積層配列を第１電極上に形成するステップ（ステップ３７０２）とを含む。（例えば、図２２Ａ、２２Ｂ、２３に示す管状のＣＥＳＤに関しては）任意で、第１電極を基板上に形成することによって第１電極を用意することができる（ステップ３７００）。上記積層配列は、誘電体材料層を第１電極の表面に付加し（ステップ３７０３）、導体材料層を誘電体材料層上に付加し（ステップ３７０４）、誘電体材料の他の層を導体材料層上に付加する（ステップ３７０５）ことによって形成される。より多数の層を所望する場合（ステップ３７０６）、ステップ３７０４及び３７０５を反復する。所望数の層を形成すると、非導電性の封止材料を外側に付加するべきか否かの判定を行う（ステップ３７０７）。任意である非導電性の封止材料が望ましい場合、この封止材料を（図２３に示すように）積層配列の１つ以上の側端に接触するように付加する（ステップ３７０８）。第２電極を積層配列の最外層に接触するように付加し（ステップ３７０９）、この最外層は誘電体材料層である。任意であるステップ３７０８は、図に示すようにステップ３７０９の前に実行することができ、あるいはその代わりに、ステップ３７０９の後に実行することができることは明らかである。図３２に示すような管状の積層ＣＥＳＤを作製する際には、任意である外側の非導電性封止材料３１６０を、第２電極３１２０の外向きの表面３１２０ｂ、あるいはＣＥＳＤ３１００のすべての外面に付加することができる。
誘電体材料層及び導体材料層を付加することは、任意の適切な方法で実行することができる。一部の実施形態では、誘電体材料層及び／または導体材料層を、（例えば、エアブラシでの）噴霧、気相堆積法、または薄膜形成の当業者にとって既知の他の方法によって付加する。その代わりに、粘性誘電体のような溶剤系の誘電体材料層を、第１電極上またはその下層をなす導体材料層上に流動させることによって、誘電体材料層を付加することができる。一部の例では、上記誘電体材料を、例えば蒸発によって溶媒を除去することによって、あるいは当該誘電体材料内のポリマーを架橋することによって、濃縮または凝固させる。任意である非導電性封止材料は、同様な方法で付加する。
第１電極が形成された除去可能な担体または基板は、その後に任意の適切な方法によって除去することができる。例えば、水溶性ポリマーを含む除去可能な担体は、水で溶解させて除去することができる。
図３８は、図２４～２６に示す積層ＣＥＳＤを作製する一般化した方法の一実施形態を示す流れ図である。この方法は、間隔をおいた平行な電極のｎ個のグループのアレイを、ｎ個の平行な平面または層内に形成するステップ（ステップ３８０１）を含む。任意で、この電極のアレイを基板上に形成する。この電極のアレイは、例えば図３５の方法に関して上述したような、任意の適切な方法によって形成することができる。１つの層内の平行な電極のグループは、隣接する平行な電極のグループに対して直角に配向させることができ、あるいは、平行な電極のグループは、隣接する平行な電極のグループに対して０～９０°回転させることができる。図２４～２６に関して説明したように、完成した四角形のＣＥＳＤの２つ以上の側面から電極端部が突出するように、これらの電極を配列させることが有利である。上記電極のアレイを形成する際に、電極間の空間に誘電体材料を充填する（ステップ３８０２）。この誘電体材料は、例えば、図３５の方法に関して上述したような任意の適切な方法によって上記空間内に配置することができる。導体材料を付加するべきであるか否かの判定を行う（ステップ３８０３）。任意である導体材料が望ましい場合、この導体材料は、上記積層配列の２つ以上の側端に接触するように付加する（ステップ３８０４）。この任意である導体材料は、当該導体材料を側端上に流動させるか噴霧するような任意の適切な手段によって付加することができる。
図３９は、図２４～２６に示す積層ＣＥＳＤを作製する一般化した方法の独立した実施形態を示す流れ図である。この方法は、誘電体材料層及び電極の層を形成するステップ（ステップ３９０１）を含む。任意で、誘電体材料層を基板上に形成する。この誘電体材料層は、例えば、図３５の方法に関して上述したような、任意の適切な方法で形成することができる。一実施形態では、複数の平行な溝を、上記誘電体材料層の上面内に形成する（ステップ３９０２ａ）。これらの溝は、エッチング、レーザー切削、等のような任意の適切な方法で形成することができる。これらの溝は、電極端部が、上記誘電体材料層の１つ以上の側端から突出するか、あるいは１つ以上の側端と一致するように形成することが有利である。各溝内に電極を設けるか形成する（ステップ３９０３ａ）。これらの電極は、例えばワイヤとして設けることができる。その代わりに、これらの電極は、例えば、溝に導電性カーボンを充填することによって溝内に形成することができる。他の実施形態では、複数の平行な電極を上記誘電体材料層の上面に付加する（ステップ３９０２ｂ）。これらの電極は任意の適切な方法によって付加することができる。例えば、通常の当業者が理解するように、液状の電極を誘電体材料の上面上に「印刷する」ことができる。その代わりに、電極材料の層を誘電体材料の上面に付加し、次に、過剰な電極材料を除去して、複数の平行な電極を残すことができる。後続する誘電体材料及び電極の層を、これらの誘電体材料及び電極の層上に形成する（ステップ３９０４）。後続する層の電極は、第１層の電極に対して直角に配向させることができ、あるいは、後続する層の電極は、第１層の電極に対して０～４５°回転させることができる。追加的な層が望ましい場合（ステップ３９０５）、ステップ３９０４を反復する。所望する数の層が形成されると、誘電体材料の最終層を、誘電体材料及び電極の層上に形成する（ステップ３９０６）。非導電性の封止材料を外側に付加するべきか否かの判定を行う。任意である非導電性材料の封止材料が望ましい場合、この封止材料を、上記積層配列の２つ以上の側端に接触するように付加する（ステップ３９０８）。
ＣＥＳＤを使用する方法
開示するＣＥＳＤは、エネルギー蓄積用、メモリ記憶用、またはその組合せ用に用いることができる。本明細書中に開示するＣＥＳＤを使用する方法の実施形態は、第１電極グループの電極と、それに隣接する第２電極グループの電極との間に配置された容量性素子の両端間に電圧を印加するステップであって、容量性素子は、第１グループの電極と、それに隣接する第２グループの電極との間に位置する誘電体材料の領域であり、これにより容量性素子をＶ１に充電するステップを含む。印加する電界は、誘電体材料の平均の厚さに基づいて、０．００１V/μmから１０００V/μm以上までにすることができる。一実施形態では、印加する電界が１００V/μmから１０００V/μmまでである。独立した実施形態では、印加する電界が０．００１V/μmから１００V/μmまでである。他の独立した実施形態では、印加する電界が１V/μmから５V/μmまでである。
図４０は、ＣＥＳＤの容量性素子を充電する一般化した方法を示す流れ図である。この方法は、処理ブロック４００１で、少なくとも１つの容量性素子を具えたＣＥＳＤを用意するステップを含み、この容量性素子は、第１電極グループの第１電極と第２電極グループの第２電極との間に規定され、第１電極グループは第１電気相互接続体に直列に接続され、第２電極グループは第２電気相互接続体に直列に接続されている。ある期間だけ、第１電気相互接続体に電圧を印加し、第２電気相互接続体をＶssに接続することによって、容量性素子の両端間に電圧を印加する（ステップ４００２）。
ＣＥＳＤが、整列した、あるいはスタガード様式に並んだ電極の行を具え、各行が（例えば、図３～６及び１５に示すように）電極のグループを構成する際には、電圧を印加することによって、隣接する、活性化された電極の行間の複数の容量性素子が充電される。こうした実施形態は、大量のエネルギーを蓄積するデバイスとして、あるいはより高い電圧出力が望まれるデバイスとして特に有用である。実際に、一部の例では、全部の行を活性化して、ＣＥＳＤ内の全部の容量性素子を同時に充電または放電する。
ＣＥＳＤが（例えば、図７～１４に示すように）行及び列のアレイを具え、各行が、他の１つ以上のグループの電極と交互する第１グループの電極を具えている実施形態では、第１電気相互接続体が１つの行内の第１グループの電極を直列に接続し、第１電気相互接続体によって接続されない第２グループの電極は、第２電気相互接続体によって列の形に直列に接続され、電圧を印加することによって、隣接する活性化された２つの電極間の１つ以上の容量性素子が充電される。同様に、ＣＥＳＤが（例えば、図１６及び１７に示すように）単位セルのアレイを具えている際には、電圧を印加することによって、隣接する活性化された２つの電極間の１つ以上の容量性素子が充電される。一部の実施形態では、ＣＥＳＤがメモリデバイスであり、各容量性素子は、当該容量性素子の両端間に印加した電圧によって決まる論理状態を有する。
以上の実施形態のいずれにおいても、ＣＥＳＤ、及びこのＣＥＳＤに接続された負荷を含む回路を用意することによって、エネルギーをＣＥＳＤから負荷へ供給することができ、上記容量性素子は電圧Ｖ１に充電され；逆極性の電位を放電期間だけ容量性素子の両端間に印加し、逆極性の電位は、電圧Ｖ１未満であり、かつ容量性素子が高インピーダンス状態で発生する電圧未満であり、これにより電力を容量性素子から負荷へ供給する。この方法は、例えば、エネルギー集積器兼メモリセル、あるいは大型のエネルギー蓄積セルのように、ＣＥＳＤが大きな幾何学的形状を有する際に有利であり得る。この方法を用いて、ＣＥＳＤから負荷への電圧出力を間接的に増加させることもできる。
図４１は、ＣＥＳＤから負荷へエネルギーを供給する一般化した方法を示す流れ図である。この方法は、処理ブロック４１０１で、第１電圧レベルに充電された少なくとも１つの容量性素子を有するＣＥＳＤを含む回路を用意するステップを含み、この容量性素子は、第１電極と第２電極との間の誘電体材料の領域によって規定され；一部の実施形態では、本明細書中に開示するように、誘電体膜が電子エントロピー誘電体材料を含む。第１電極は第１電気相互接続体に接続され、第２電極は第２電気相互接続体に接続されている。第１電極と第２電極との間の容量性素子は、電圧を容量性素子の両端間に印加することによって、例えば、電圧を第１電気相互接続体に印加し、第２電気相互接続体をＶssに接続することによって充電される。その代わりに、第２電気相互接続体に電圧を印加することができ、第１電気相互接続体をＶssに接続することができることは、通常の当業者の理解する所である。逆極性の電位を放電期間だけ容量性素子の両端間に印加し、これによりＣＥＳＤから負荷へ電力を供給する（ステップ４１０２）。逆極性の電位は、第１電気相互接続体及び第２電気相互接続体の一方を負荷に接続し、第１電気相互接続体及び第２電気相互接続体の他方をＶssに接続することによって印加することができる。例えば、第１電気相互接続体に電圧を印加し、第２電気相互接続体を接地することによって容量性素子を充電した場合、逆極性の電位は、第２電気相互接続体を負荷に接続し、第１電気相互接続体を接地することによって印加することができる。一部の実施形態では、ＣＥＳＤが複数の充電された容量性素子を具え、上記方法が、逆極性の電位を放電期間だけ、これら複数の充電された容量性素子の両端間に印加するステップをさらに含む。
図４２は、（例えば、図２４～２６に示す）積層ＣＥＳＤの容量性素子を充電する一般化した方法を示す流れ図である。この方法は、処理ブロック４２０１で、少なくとも１つの容量性素子を具えた積層ＣＥＳＤを用意するステップを含み、この容量性素子は、第１電極グループの第１電極と第２電極グループの第２電極との間の誘電体材料の領域によって規定され、第１グループの電極は第１導体材料に並列に接続され、第２グループの電極は第２導体材料に並列に接続されている。ある期間だけ、第１導体材料に電圧を印加し、第２導体材料をＶssに接続することによって、容量性素子の両端間に電圧を印加する（ステップ４２０２）。
図４３は、積層ＣＥＳＤから負荷へエネルギーを供給する一般化した方法を示す流れ図である。この方法は、処理ブロック４３０１で、第１電圧レベルに充電された少なくとも１つの容量性素子を有する積層ＣＥＳＤを含む回路を用意するステップを含み、この容量性素子は、第１電極と第２電極との間の誘電体材料の領域によって規定され；一部の実施形態では、誘電体材料が、本明細書中に開示する電子エントロピー誘電体材料を含む。第１電極は第１導体材料に接続され、第２電極は第２導体材料に接続されている。第１電極と第２電極との間の容量性素子は、当該容量性素子の両端間に電圧を印加することによって、例えば、第１導体材料に電圧を印加し、第２導体材料をＶssに接続することによって充電される。その代わりに、第２導体材料に電圧を印加することができ、第１導体材料をＶssに接続することができることは、通常の当業者の理解する所である。逆極性の電位を放電期間だけ容量性素子の両端間に印加し、これにより、積層ＣＥＳＤから負荷へ電力を供給する（ステップ４３０２）。第１導体材料及び第２導体材料の一方を負荷に接続し、第１導体材料及び第２導体材料の他方をＶss、例えば接地に接続することによって、逆極性の電位を容量性素子の両端間に印加することができる。例えば、第１導体材料に電圧を印加し、第２導体材料を接地することによって容量性素子を充電した場合、逆極性の電位は、第２導体材料を負荷に接続し、第１導体材料を接地することによって印加することができる。一部の実施形態では、ＣＥＳＤが複数の充電された容量性素子を具え、上記方法が、逆極性の電位を放電期間だけ、これら複数の充電された容量性素子の両端間に印加するステップをさらに含む。
上記誘電体材料は、この誘電体材料を最初に非分極状態または出発状態（例えば、製造後の誘電体材料の状態）に製造した際に「固有静電容量」を有し、この固有静電容量は印加電圧によって変化させることができる。従って、以上の実施形態のいずれか、あるいは全部では、上記容量性素子が固有静電容量を有することができ、容量性素子の両端間に電圧を印加することによって固有静電容量を変化させる。特定実施形態では、印加電圧を除去した際に、容量性素子の固有静電容量が不変のままである。
一部の実施形態では、図４４の流れ図に示すように、メモリデバイスを読み出し、メモリデバイスに書き込む方法が、ＣＥＳＤを具えたメモリデバイスを用意するステップ（ステップ４４０１）と、第１電極グループの電極のうちの１つの電極と、この電極に隣接する、第２電極グループの電極のうちの１つの電極との間に配置された容量性素子の両端間に電圧を印加することによって、メモリデバイスに書き込むステップとを含み、この容量性素子は、第１グループの上記１つの電極と、第２グループの上記隣接する１つの電極との間に位置する誘電体材料の領域であり、これにより容量性素子を電圧Ｖ１に充電する（ステップ４４０２）。第１グループの電極を直列に接続する第１電気相互接続体に電圧を印加し（ステップ４４０２ａ）、第２グループの電極を直列に接続する第２電気相互接続体を接地する（あるいはＶssに接続する）ことによって（ステップ４４０２ｂ）、容量性素子の両端間に電圧を印加することができる。この方法は、メモリデバイスを読み出すステップ（ステップ４４０３）をさらに含む。このメモリデバイスは、第１電気相互接続体及び第２電気相互接続体の一方を高インピーダンスのセンサに接続し（ステップ４４０３ａ）、第１電気相互接続体及び第２電気相互接続体の他方を接地／Ｖssに接続して（ステップ４４０３ｂ）、容量性素子の電圧Ｖ１を高インピーダンスのセンサで読み取る（ステップ４４０３ｃ）ことによって読み出すことができる。
特定の容量性素子への電圧の書込み中に、この容量性素子を規定する領域内の誘電体上への電界の印加は、誘電体材料の誘電率の変化を誘発する。こうした誘電率の変化は電圧の関数である。その結果、ＣＥＳＤは、正確な電圧レベルの必要性なしでもメモリ記憶デバイスとして機能する。特定の容量性素子の電圧レベルが消失し得る場合（このことは、非常に長い時間、例えば、＞３秒間に生じ得る）でも、誘電体材料の誘電率は、クーロン電荷の「パルス」の利用によって定めることができる。容量性素子を所定レベルの電圧に充電した場合、容量性素子のいずれかの側の電極の電荷が失われても、この容量性素子を規定する領域内の誘電体材料の誘電率は、電界がまだ存在した場合に誘電体が有したであろう電圧（電界）に見合ったレベルに留まる。例えば、容量性素子が１Vに充電された場合、誘電体材料は、印加された電圧に見合った特徴的な誘電率を有する。容量性素子のいずれかの側の電極がその後に接続を遮断され、容量性素子の電圧が部分的に、あるいは完全に消失した場合、容量性素子の誘電率はほぼ不変のままである。誘電体素子のこうしたヒステリシス特性は、所定の容量性素子に至る小アンペア数のパルス時の、容量性素子における電圧変化を測定するために有利である。こうしたクーロンパルスは残留電圧の小変化を誘発し、この小変化は誘電体の誘電率に比例し、この誘電率は、以下に説明するように容量性素子の静電容量に正比例する。
電荷Ｑ、静電容量Ｃ、及び電位Ｖ間の関係は次式の通りである：
Ｑ＝Ｃ×Ｖ 式１
静電容量Ｃは一般に、大部分の条件下では一定の物理的性質と考えられる。上記アレイ内の特定の容量性素子の静電容量は、この容量性素子に非常に小さい摂動電荷を与えることによって測定することができる。容量性素子では、電位（または電界）の印加が、当該容量性素子を規定する誘電体領域の相対誘電率に影響を与え得る。この影響が、大部分は電圧（誘電体の分極）の関数であるものとすれば、この性質を用いて、電圧を非常に正確に測定することなしに、容量性素子の状態を測定することができる。上記摂動電荷は、容量性素子の分極の状態にかかわらず、容量性素子における静電容量変化に影響を与えるのに十分なほどにするべきでない。この条件を前提として、容量性素子のいずれかの側の電極上に電荷の変化ｄＱが存在する際に、このことは次式のようになる：
Ｑ＋ｄＱ＝Ｃ×Ｖ’ 式２
ここに、Ｖ’は容量性素子の両端間の新たな電位である。式１を式２から減算することによって、静電容量Ｃを電荷及び電位の変化の関数として次式のように測定することができる：
Ｑ＋ｄＱ－Ｑ＝ＣＶ’－ＣＶ 式３
ｄＱ＝Ｃ×(Ｖ’－Ｖ) 式４
Figure 0007031891000006
容量性素子の充電状態及び非充電状態について、容量性素子の静電容量Ｃの値を所定値と比較し、従って、論理状態は、容量性素子のいずれかの側の電極に現れる電圧ではなく、静電容量と相関性がある。
この関係では、Ｃ＝Ｋ×ｅ0×Ａ／ｄであり、ここにＡは容量性素子を規定する誘電体材料の領域に接触する電極の一方の面積であり、ｄは電極間の距離であり、ｅ0は真空の誘電率（８．８５４２×１０-12F/m
）であり、相対誘電率Ｋ以外の全量が定数である。従って、電圧は所定容量性素子の静電容量の変化に関係する。
誘電体の全分極は、少なくとも３つの異なるエネルギー蓄積のメカニズム（充電曲線への曲線適合によって定義される）に依存する。エネルギー蓄積（充電）のための最高速のメカニズムは、最長期のエネルギー蓄積メカニズムの分極の状態によって影響を与えられる。従って、最長期のエネルギーの分極が生じる間には、より高速な分極のメカニズムが大幅な変化を示す。こうした高速な短期の分極の変化を用いて、その基になるより長期の分極であり得るものを特定することができる。
容量性素子の元の分極レベルは、当該容量性素子の静電容量の測定によって測定される。容量性素子の静電容量の較正曲線を用いて、元のプログラムされた分極を計算する。この計算を行う方法は、周知のような、ルックアップ・テーブル（早見表）、アナログ電圧基準レベル、または論理デバイスにおける数学的計算と同じくらい単純にすることができる。
このようにして、容量性素子へのリフレッシュ電荷間に経過することを許容される時間長が大幅に延長され、あるいは事実上完全に撤廃される。静電容量を測定するために使用される電荷の量は、電子スイッチングの所定ノイズレベルのために、実際にはできる限り小さくするべきであることが有利である。微小な電荷レベルの移動のための方法は、アナログ電子技術に精通した当業者の知る所である。誘電体の元の分極状態の測定は、期間を延長するための過剰な量の電荷の供給によって大幅に変化し得る；従って、単一回供給される、あるいは複数回供給される最小量の電荷を一般に用いる。このようにして、メモリデバイスの能力をこうした分量だけ増加させて、上記方法の利用を、デジタルデータの非常に長期の記憶に拡張する。これらのような用途を不揮発性メモリと称し、「永久的な」メモリ及びデータ記憶装置であるものと考えることができる。
ＣＥＳＤを具えたメモリデバイスは、(i)ＣＥＳＤ内の容量性素子を電圧Ｖ１に充電し、但し電圧Ｖ１は、少なくとも部分的に、時間と共に漏洩することにより放電する；(ii)その後に、容量性素子の静電容量Ｃを測定し；(iii)静電容量Ｃに基づいて、電圧Ｖ１を測定し、そして、容量性素子を電圧Ｖ１に再充電することによってリフレッシュすることができる。一部の実施形態では、静電容量Ｃを電圧Ｖ１に合わせて補正し、電圧Ｖ１が漏洩により放電する間に静電容量Ｃはほぼ不変のままである。第１グループの電極を直列に接続する第１電気相互接続体に電圧を印加し、第２グループの電極を直列に接続する第２電気相互接続体を接地する（あるいはＶssに接続する）ことによって、ＣＥＳＤ内の容量性素子を電圧Ｖ１に充電することができる。容量性素子の静電容量Ｃは、(i)容量性素子の電圧Ｖを読み取り；(ii)摂動電荷ｄＱを容量性素子に供給し、摂動電荷ｄＱは、静電容量Ｃの変化を誘発せずに電圧Ｖの変化を誘発するのに十分な大きさを有し；(iii)その後に、ＣＥＳＤの電圧Ｖ’を読み取り；(iv)Ｃ＝ｄＱ／(Ｖ’－Ｖ)なる静電容量Ｃを測定することによって測定することができる。２つの電極を活性化することによって複数の容量性素子をアドレス指定する際には、アドレス指定されたすべての容量性素子を一緒に読み取って、それらの値の平均をとる。
図４５は、本明細書中に開示するＣＥＳＤを具えたメモリデバイス内の容量性素子の静電容量を測定し、このメモリデバイスをリフレッシュする好適な方法を示す流れ図である。ステップ４５０１では、ＣＥＳＤの容量性素子を最初に電圧Ｖ１に充電する。ある期間が経過した後に、ステップ４５０２において、容量性素子の静電容量Ｃを測定する。容量性素子の静電容量Ｃを測定することは、容量性素子の電圧Ｖを読み取ること（ステップ４５０２ａ）、摂動電荷ｄＱを容量性素子に加えること（ステップ４５０２ｂ）、その後に容量性素子の電圧Ｖ’を読み取ること（ステップ４５０２ｃ）、及び容量性素子の静電容量Ｃを式５により計算することを含むことができる。一部の実施形態では、摂動電荷ｄＱが、時間と共に漏洩することによる放電の大きさにおよそ等しい大きさを有する。この放電の大きさは、容量性素子の電荷容量の０．１～５０％、例えば１～５０％、１～２５％、１～１０％、または１～５％とすることができる。特定実施形態では、摂動電荷ｄＱが、１×１０-15クーロンから１×１０-2クーロンまでの範囲内の大きさ、例えば１×１０-15クーロンから１×１０-6クーロンまで、１×１０-12クーロンから１×１０-6クーロンまで、または１×１０-12クーロンから１×１０-10クーロンまでの範囲内の大きさを有する。ステップ４５０３では、静電容量Ｃに基づいて、容量性素子の初期電圧Ｖ１を測定する。Ｖ１を測定することは、静電容量Ｃを、容量性素子の充電及び放電状態に相当する所定値と比較することによって行うことができる。ステップ４５０４では、容量性素子を初期電圧Ｖ１に再充電する。容量性素子を再充電することは、容量性素子を初期電圧Ｖ１に再充電するのに十分な電圧Ｖ２を選択して（ステップ４５０４ａ）、選択した電圧Ｖ２を容量性素子に書き込む（ステップ４５０４ｂ）ことによって実行することができる。
メモリデバイスは、第１電気相互接続体及び第２電気相互接続体の一方を高インピーダンスのセンサに接続し、第１電気相互接続体及び第２電気相互接続体の他方をＶssに接続し、そして容量性素子の電圧Ｖ１を高インピーダンスのセンサで読み取ることによって読み出すことができる。図４６は、本明細書中に開示するＣＥＳＤを具えたメモリデバイスを読み出す１つの方法を示す流れ図である。ＲＡＭ動作に入る際に（ステップ４６０１）、メモリデバイスにデータをロードする（ステップ４６０２）。その後にメモリデバイスの電源を遮断（パワーダウン）する（ステップ４６０３）。ステップ４６０４では、メモリデバイスに再供給電して作動状態にする。次に、メモリデバイスは、ブート（立ち上げ）論理回路のリフレッシュに入る（ステップ４６０５）。メモリアドレスをメモリ０に設定し（ステップ４６０６）、静電容量メモリの読出し／リフレッシュ・ルーチンを開始する（ステップ４６０６）。メモリの読出し／リフレッシュ・ルーチンでは、１つのメモリブロック（即ち、複数の容量性素子）をアドレス指定するように、あるいは個別のメモリ位置（記憶場所、即ち、活性化された単一電極を包囲する１つ以上の容量性素子）をアドレス指定するように電気相互接続体を設定して（ステップ４６０７ａ）、そのメモリ位置の電圧Ｖを読み取る（ステップ４６０７ｂ）。摂動電荷ｄＱをそのメモリ位置に加えて（ステップ４６０７ｃ）、電圧Ｖ’を読み取る（ステップ４６０７ｄ）。容量性素子の静電容量を式５により計算する（ステップ４６０６ｅ）。この静電容量をある論理レベルと比較する（ステップ４６０７ｆ）。容量性素子の両端間に電圧を印加することによって、誘電体材料の固有静電容量を変化させる。増分的電圧（例えば、０．２５の増分のある電圧）を用いて、固有静電容量を増分的に変化させることができ、増分的静電容量の各々が容量性素子の１つの論理レベルに対応する。印加した電圧を取り除いた際に、固有静電容量は不変のままである。従って、静電容量は元の印加電圧を示す。上記比較は、例えばルックアップ・テーブルを用いて実行することができ、このルックアップ・テーブルは静電容量を初期電圧に関係付ける。容量性素子の電圧を、上記論理レベルに関連する初期電圧Ｖに回復させるのに十分な電圧を選択して、容量性素子に書き込む（ステップ４６０７ｇ）。次に、上記ルーチンを次のメモリ位置へインクリメントする（アドレスを増加させる）（ステップ４６０７ｈ）。ステップ４６０８では、最終のメモリ位置を満足するか否かの質問をする。その答えが「いいえ」であれば、メモリの読出し／リフレッシュ・ルーチンを反復する。その答えが「はい」であれば、ステップ４６０９でブート論理回路のリフレッシュを出る。一部の実施形態では、容量性素子を増分的電圧で充電して、容量性素子当たり８つの論理レベル及び２ビットを提供する。
特定の代表的実施形態を、以下の番号付けした箇条中に開示する。
１．電極間に空間を有する電極のアレイと；電極のグループ毎の電気相互接続体と；誘電体材料とを具えた容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）であって、電極のアレイは、電極のｎ個のグループを平面内に具え、ここにｎは２以上の整数であり、各電極はこの平面に直交する中心軸ＡCを有し、電気相互接続体は上記グループの電極を直列に接続し、誘電体材料は電極間の空間を占めて電極に接触し、隣接する電極間に位置する誘電体材料の領域が容量性素子を規定するＣＥＳＤ。
２．箇条１のＣＥＳＤであって、上記アレイが整列した電極の行を具え、ある行内の各電極の中心軸は、隣接する行内の電極の中心軸と整列し、各行が電極グループを構成するＣＥＳＤ。
３．箇条１のＣＥＳＤであって、上記アレイがスタガード様式に並んだ電極の行を具え、１つの行内の各電極の中心軸は、隣接する行内の電極の中心軸と整列せず、各行が電極のグループを構成するＣＥＳＤ。
４．箇条１のＣＥＳＤであって、上記アレイがスタガード様式に並んだ電極の行を具え、１つの行内の各電極の中心軸は隣接する行内の電極の中心軸と整列せず；各行は、当該行内の電極を１つ以上おきにグループとして直列に接続する行電極相互接続体をさらに具え；スタガード様式に並んだ電極のうち行電極相互接続体によって接続されていない電極のグループは、列電極相互接続体によって列の形に接続され、列電極相互接続体は、スタガード様式に並んだ電極の中心軸からオフセットし、行電気相互接続体が列電極相互接続体と交差する各交点に、垂直方向の空間的隔離が存在するＣＥＳＤ。
５．箇条１のＣＥＳＤであって、上記アレイが電極の行及び列のグリッドパターンを具え、各行は行グループの電極を具え、これらの電極は複数の列グループの電極と交互し；各行グループは、当該行グループの各電極を直列に接続する行電気相互接続体をさらに具え；各列グループは、当該列グループの電極を直接に接続する列電極相互接続体をさらに具え、行電極相互接続体が列電極相互接続体と交差する各交点に、垂直方向の空間的隔離が存在するＣＥＳＤ。
６．箇条３～５のいずれかのＣＥＳＤであって、行電極相互接続体と列電極相互接続体との間に配置された絶縁層であって、行電極相互接続体が当該絶縁層の上方にあり、列電極相互接続体が当該絶縁層の下方にあるように配置された絶縁層と；行グループの電極毎に上記絶縁層によって規定されるビアであって、当該電極を行電気相互接続体に接続するビアとをさらに具えているＣＥＳＤ。
７．箇条６のＣＥＳＤであって、上記絶縁層が、重合ｐ－キシリレン、またはｐ－キシリレン及びコモノマーから成るコポリマーを含むＣＥＳＤ。
８．箇条４または箇条５のＣＥＳＤであって、上記行電気接続体が、第１グループの各電極の下面からの高さｈ1の所で第１グループの電極に接触し；上記列電極相互接続体が、第２グループの各電極の下面からの高さｈ2の所で第２グループの電極に接触し、ここにｈ1≠ｈ2であるＣＥＳＤ。
９．箇条１～８のいずれかのＣＥＳＤであって、上記行電極相互接続体の各々及び上記列電極相互接続体の各々が、長方形、円形、または楕円形の断面形状を有するＣＥＳＤ。
１０．箇条９のＣＥＳＤであって、上記行電極相互接続体の各々、及び／または上記列電極相互接続体の各々が、電気絶縁された金属、炭化ポリマー、導電性カーボン、及び導電性ポリマーを含むＣＥＳＤ。
１１．単位セルを具えた容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）であって、この単位セルが：少なくとも多角形の形状を形成し、当該多角形の各頂点に１つの電極がある複数の電極と、単位セル内の電極の数に等しい数の電気相互接続体であって、各々が当該単位セル内の単一の電極に接続され、２つ以上の当該電気相互接続体の各交点に垂直方向の空間的隔離が存在する電気相互接続体と、電極間の空間を占める誘電体材料であって、隣接する電極間に位置する誘電体材料の領域が容量性素子を規定する誘電体材料とを具えているＣＥＳＤ。
１２．箇条１１のＣＥＳＤであって、上記多角形の中心に電極をさらに具えているＣＥＳＤ。
１３．箇条１１または箇条１２のＣＥＳＤであって、上記多角形が六角形であるＣＥＳＤ。
１４．箇条１１～１３のいずれかのＣＥＳＤであって、交差する電気相互接続体間に配置された絶縁層と；この絶縁層によって規定され、当該絶縁層の上方の電気相互接続体を、当該電気相互接続体及び当該絶縁層の下方の電極に接続するビアとをさらに具えているＣＥＳＤ。
１５．箇条１１～１４のいずれかのＣＥＳＤであって、単位セルのアレイをさらに具えているＣＥＳＤ。
１６．箇条１５のＣＥＳＤであって、上記アレイが単位セルの行を具えているＣＥＳＤ。
１７．箇条１６のＣＥＳＤであって、上記多角形が六角形であり；上記単位セルが、この六角形の中心に電極を具え；単位セルがスタガード様式で行の形に並び、これにより、この六角形の中心が、隣接する各行内の六角形のエッジと整列するＣＥＳＤ。
１８．箇条１５～１７のいずれかのＣＥＳＤであって、２つ以上の単位セルの対応する位置にあり同一直上に並ぶ電極どうしが、電気相互接続体により直列に接続されているＣＥＳＤ。
１９．箇条１～１８のいずれかのＣＥＳＤであって、平面状の非導電性基板をさらに具え、上記電極のアレイがこの基板上に配置され、各電極の中心軸がこの基板に概ね垂直に延び；上記誘電体材料が、この基板上に配置されて電極間の空間を占めるＣＥＳＤ。
２０．箇条１９のＣＥＳＤであって、上記平面上の非導電性基板が非導電性ポリマーを含むＣＥＳＤ。
２１．箇条１～２０のいずれかのＣＥＳＤであって、各容量性素子が固有静電容量を有し、この固有静電容量を、当該容量性素子に隣接する２つの電極間に印加する電圧によって変化させるＣＥＳＤ。
２２．箇条１～２１のいずれかのＣＥＳＤであって、各電極が、直円柱の形状、楕円柱の形状、角柱の形状、球の形状、または半球の形状を有するＣＥＳＤ。
２３．箇条２２のＣＥＳＤであって、隣接する電極間の中心軸－中心軸の間隔が５nm～５mmの範囲内であるＣＥＳＤ。
２４．箇条１～２３のいずれかのＣＥＳＤであって、上記電気相互接続体の各々が、電気絶縁された金属、炭化ポリマー、導電性カーボン、または導電性ポリマーを含むＣＥＳＤ。
２５．箇条２４のＣＥＳＤであって、上記電気絶縁された金属が、自己組織化単分子層、ポリ(ｐ－キシリレン)、またはその組合せであるＣＥＳＤ。
２６．箇条１～２５のいずれかのＣＥＳＤであって、(i)各電極がその中心軸に沿った５０nmから１２００μmまでの高さを有し；(ii)電極グループ内の各電極がその中心軸にそったほぼ同じ高さを有し；(iii)上記アレイ内の各電極がその中心軸に沿ったほぼ同じ高さを有し；または(iv) (i)、(ii)、及び(iii)の任意の組合せであるＣＥＳＤ。
２７．容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）であって、電極間に空間を有して多重螺旋配列の形に配置された２つ以上の電極を具え、これら２つ以上の電極は互いに交差せず；誘電体材料が電極間の空間を占めて電極に接触するＣＥＳＤ。
２８．箇条２７のＣＥＳＤであって、上記螺旋配列全体を通して、電極が互いから等距離の間隔をおいているＣＥＳＤ。
２９．箇条２７または箇条２８のＣＥＳＤであって、上記多重螺旋配列が円形、楕円形、または多角形の形状を有するＣＥＳＤ。
３０．箇条１～２９のいずれかのＣＥＳＤであって、電極が導電性カーボン、導電性有機材料、導電性の金属、または半導体を含むＣＥＳＤ。
３１．箇条１～３０のいずれかのＣＥＳＤであって、各電極が陽極酸化され、またはポリ(ｐ－キシリレン)でコーティングされているＣＥＳＤ。
３２．箇条１～３１のいずれかのＣＥＳＤであって、上部封止層をさらに具えているＣＥＳＤ。
３３．箇条３２のＣＥＳＤであって、上記上部封止層がポリ(ｐ－キシリレン)を含むＣＥＳＤ。
３４．箇条１～３３のいずれかのＣＥＳＤであって、上記誘電体材料が、３．９よりも大きい相対誘電率を有する電子エントロピー誘電体材料であるＣＥＳＤ。
３５．箇条３５のＣＥＳＤであって、上記電子エントロピー誘電体材料が複数のポリマー分子を含むＣＥＳＤ。
３６．箇条３５のＣＥＳＤであって、上記ポリマー分子が、タンパク質、ポリ(ｐ－キシリレン) ポリ(マレイン酸)、アクリル酸ポリマー、メタクリル酸ポリマー、ポリエチレン・グリコール、ウレタン・ポリマー、エポキシ・ポリマー、シリコーン・ポリマー、テルペノイド・ポリマー、自然発生樹脂ポリマー、ポリイソシアネート、またはその組合せを含むＣＥＳＤ。
３７．箇条３５のＣＥＳＤであって、上記ポリマー分子が、ポリ(ｐ－キシリレン)、ゼイン、ポリ(マレイン酸)、セラック、シリコーン油、またはその組合せであるＣＥＳＤ。
３８．箇条３４～３７のいずれかのＣＥＳＤであって、上記電子エントロピー誘電体材料が無機塩をさらに含むＣＥＳＤ。
３９．箇条３８のＣＥＳＤであって、上記無機塩が、ＩＩＡ族の金属イオン、ＩＩＩＡ族の金属イオン、またはその組合せを含むＣＥＳＤ。
４０．箇条３８のＣＥＳＤであって、このＣＥＳＤが、メモリデバイス、大容量エネルギー蓄積デバイス、またはメモリとエネルギー蓄積デバイスの組合せの構成要素であるＣＥＳＤ。
４１．箇条１～２６または３０～４０のいずれかによる容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）を作製する方法であって、電極間に空間を有し、少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込まれるか誘電体材料に接触する電極のアレイを形成するステップであって、この電極のアレイは、単一の平面内に配列された電極のｎ個のグループを含み、ここにｎは２以上の整数であり、各電極は、この平面に直交する中心軸を有するステップと；各グループの電極を電気相互接続体により直列に接続し、これによりＣＥＳＤを形成するステップとを含む方法。
４２．箇条４１の方法であって、少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込まれるか誘電体材料に接触する電極のアレイを形成するステップが：電極のアレイを形成するステップと；電極間の空間内に誘電体材料を配置するステップとをさらに含む方法。
４３．箇条４１または箇条４２の方法であって、電極のアレイを形成するステップが、ナノリソグラフィー、マイクロリソグラフィー、シャドーマスク重合、またはスクリーニング・プロセスによって電極を基板上に形成するステップを含む方法。
４４．箇条４１の方法であって、少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込まれるか誘電体材料に接触する電極のアレイを形成するステップが：誘電体材料層を基板上に形成するステップと；電極を少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込むか、あるいは電極を誘電体材料に接触するように配置して、電極のアレイを形成するステップとを含む方法。
４５．箇条４３または箇条４４の方法であって、上記基板が非導電性基板である方法。
４６．箇条４３～４５のいずれかの方法であって、上記基板が除去可能な担体層であり、この方法が、少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込まれるか誘電体材料に接触する電極のアレイを形成した後に、上記基板を除去するステップをさらに含む方法。
４７．箇条４１～４６のいずれかの方法であって、各グループ内の電極を直列に接続するステップが：第１グループの電極を第１電気相互接続体により直列に接続するステップと；第２グループの電極を第２電気相互接続体により直列に接続するステップであって、第２電気相互接続体が第１電気相互接続体と交差する各交点に垂直方向の空間的隔離が存在するステップとを含む方法。
４８．箇条４７の方法であって：上記電極のアレイ上及び上記第１電気相互接続体上に絶縁層を配置して、上記第１電気相互接続体が絶縁層の下方にあるようにするステップと；上記第２電気相互接続体を絶縁層上に配置して、上記第２電気相互接続体が、絶縁層の上方かつ上記第２グループの電極の上方に配置されるようにするステップと；上記第２グループ内の電極のうちの１つの電極に対応する位置の各々に絶縁層を通るビアを形成し、これにより、第２の行電気相互接続体を第２グループ内の電極に直列に電気接続するステップとをさらに含む方法。
４９．箇条４１～４８のいずれかの方法であって、上部封止層を上記ＣＥＳＤ上に堆積させるステップをさらに含む方法。
５０．箇条１～２６または３０～４０のいずれかによる容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）を使用する方法であって：箇条１～２６または３０～４０のいずれかによるＣＥＳＤを用意するステップと；第１グループの電極のうちの１つの電極と、この電極に隣接する、第２グループの電極のうちの１つの電極との間に配置された容量性素子の両端間に電圧を印加するステップであって、この容量性素子は、第１グループの上記１つの電極と第２グループの上記隣接する１つの電極との間に位置する誘電体材料の領域であり、これにより容量性素子を電圧Ｖ１に充電するステップとを含む方法。
５１．箇条５０の方法であって、容量性素子の両端間に電圧を印加するステップが：上記第１グループの電極を直列に接続する第１電気相互接続体に電圧を印加するステップと；上記第２グループの電極を直列に接続する第２電気相互接続体をＶssに接続するステップとを含む方法。
５２．箇条５０または箇条５１の方法であって、上記ＣＥＳＤが、整列した電極の行またはスタガード様式に並んだ電極の行のアレイを具え、各行は電極のグループを構成し、上記デバイスが複数の容量性素子を具え、各容量性素子は、隣接する電極行内の２つの電極間に位置する誘電体材料の領域によって規定され、上記電圧を印加することによって、隣接する電極行間の複数の容量性素子を充電する方法。
５３．箇条５０または箇条５１の方法であって、上記ＣＥＳＤが電極の行及び列から成るアレイを具え、各行は、他の１つ以上のグループの電極と交互する第１グループの電極を具え；第１電気相互接続体が１つの行内の第１グループの電極を直列に接続し；第１電気相互接続体によって接続されない第２グループの電極は、第２電気相互接続体によって列の形に直列に接続され、電圧を印加することによって、第１グループまたは第２グループの１つの電極に隣接する２つ以上の容量性素子が充電される方法。
５４．箇条５０～５３のいずれかの方法であって、上記ＣＥＳＤ、及び当該ＣＥＳＤに接続された負荷を含む回路を用意し、上記容量性素子は電圧Ｖ１に充電され；逆極性の電位を放電期間だけ上記容量性素子の両端間に印加し、この逆極性の電位は電圧Ｖ１未満であり、かつ容量性素子が高インピーダンス状態で発生する電圧未満であり、これにより、電力を上記容量性素子から負荷へ供給することによって、上記ＣＥＳＤから負荷へエネルギーを供給するステップをさらに含む方法。
５５．箇条５４の方法であって、逆極性の電位を上記容量性素子の両端間に印加することが：上記第１電気相互接続体及び上記第２相互接続体の一方を上記負荷に接続し；上記第１電気相互接続体及び上記第２相互接続体の他方をＶssに接続することを含む方法。
５６．箇条５０～５３のいずれかの方法であって、上記ＣＥＳＤがメモリデバイスであり、上記容量性素子が、当該容量性素子の両端間に印加された電圧によって決まる論理状態を有する方法。
５７．箇条５０～５６のいずれかの方法であって、上記容量性素子が固有静電容量を有し、上記容量性素子の両端間に電圧を印加することによって、この固有静電容量を変化させる方法。
５８．箇条５７の方法であって、印加した電圧を取り除いた際に、上記容量性素子の上記固有静電容量が不変のままである方法。
５９．メモリデバイスを使用する方法であって：箇条１～２６または３０～４０による容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）を具えたメモリデバイスを用意するステップと；第１グループの電極のうちの１つの電極と、この電極に隣接する、第２グループの電極のうちの１つの電極との間に配置された容量性素子の両端間に電圧を印加することによってメモリデバイスに書き込むステップであって、この容量性素子は、第１グループの上記１つの電極と第２グループの上記隣接する１つの電極との間に位置する誘電体材料の領域であり、これにより上記容量性素子を電圧Ｖ１に充電するステップとを含む方法。
６０．箇条５９の方法であって、上記容量性素子の両端間に電圧を印加するステップが、上記第１グループの電極を直列に接続する第１電気相互接続体に電活を印加するステップと；上記第２グループの電極を直列に接続する第２電気相互接続体をＶssに接続するステップとを含む方法。
６１．箇条５９または箇条６０の方法であって、上記第１電気相互接続体及び上記第２電気相互接続体の一方を高インピーダンスのセンサに接続し；上記第１電気相互接続体及び上記第２電気相互接続体の他方をＶssに接続し；上記容量性素子の電圧Ｖ１を高インピーダンスのセンサで読み取ることによって、上記メモリデバイスを読み出すステップをさらに含む方法。
６２．メモリデバイスをリフレッシュする方法であって：箇条１～２６または３０～４０のいずれかによる容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）を用意するステップと；このＣＥＳＤ内の容量性素子を電圧Ｖ１に充電するステップであって、電圧Ｖ１は漏洩により時間と共に少なくとも部分的に放電するステップと；その後に、容量性素子の静電容量Ｃを測定するステップと；静電容量Ｃに基づいて電圧Ｖ１を測定するステップと；容量性素子を電圧Ｖ１に再充電するステップとを含む方法。
６３．箇条６２の方法であって、静電容量Ｃは電圧Ｖ１と相関性があり、電圧Ｖ１が漏洩により放電する間に、静電容量Ｃはほぼ不変のままである方法。
６４．箇条６２または箇条６３の方法であって、上記ＣＥＳＤ内の容量性素子を電圧Ｖ１に充電するステップが：上記第１グループの電極を直列に接続する第１電気相互接続体に電圧を印加するステップと；上記第２グループの電極を直列に接続する第２電気相互接続体をＶssに接続するステップとを含む方法。
６５．箇条６２～６４のいずれかの方法であって、容量性素子の静電容量Ｃを測定するステップが：容量性素子の電圧Ｖを読み取るステップと；摂動電荷ｄＱを容量性素子に供給するステップであって、摂動電荷ｄＱは、静電容量Ｃの変化を誘発することなしに電圧Ｖの変化を誘発するのに十分な大きさを有するステップと；その後に、上記ＣＥＳＤの電圧Ｖ’を読み取るステップと；静電容量Ｃを測定するステップであって、ここにＣ＝ｄＱ(Ｖ’－Ｖ)であるステップとを含む方法。
６６．箇条６２～６５のいずれかの方法であって、漏洩の前に初期電圧Ｖ１を測定することが、上記容量性素子の静電容量Ｃを、充電状態及び非充電状態における当該容量性素子の所定静電容量値と比較し、これにより静電容量Ｃを電圧Ｖ１に関係付けることを含む方法。
６７．箇条６２～６６のいずれかの方法であって、上記ＣＥＳＤを電圧Ｖ１に再充電することが：上記容量性素子を電圧Ｖ１に再充電するのに十分な電圧Ｖ２を選択するステップと；選択した電圧Ｖ２を上記容量性素子に書き込み、これにより当該容量性素子を電圧Ｖ１に再充電するステップとを含む方法。
６８．容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）から負荷へエネルギーを供給する方法であって：箇条１～２６または３０～４０のいずれかによるＣＥＳＤ、及びこのＣＥＳＤに接続された負荷を含む回路を用意するステップであって、このＣＥＳＤは、第１電圧レベルに充電された少なくとも１つの充電済みの容量性素子を具え、この充電済みの容量性素子は、第１グループの電極のうちの１つの電極と、この電極に隣接する、第２グループの電極のうちの１つの電極との間に配置されているステップと；逆極性の電位を放電期間だけこの充電済みの容量性素子の両端間に印加するステップであって、この逆極性の電位は、第１電圧未満であり、かつ上記充電済みの容量性素子が高インピーダンス状態で発生する電圧未満であり、これにより電力を容量性素子から負荷へ供給するステップとを含む方法。
６９．箇条６８の方法であって、逆極性の電位を上記容量性素子の両端間に印加するステップが、第１グループの電極を直列に接続する第１電気相互接続体を上記負荷に接続するステップと；第２グループの電極を直列に接続する第２電気相互接続体をＶssに接続するステップとを含む方法。
７０．箇条６８または６９の方法であって、上記ＣＥＳＤが複数の充電済みの容量性素子を具え、この方法が、逆極性の電位を、上記放電期間だけ、これら複数の充電済みの容量性素子の両端間に印加するステップを含む方法。
７１．積層容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）であって、第１電極と；第１電極と平行で第１電極から間隔をおいた第２電極であって、これにより第１電極と第２電極との間に空間を形成する第２電極と；誘電体材料層と導体材料層とが交互する積層配列であって、第１及び第２電極に平行に配置されて、第１電極と第２電極との空間を占める積層配列とを具え、この積層配列は、誘電体材料のｘ個の層、及び導体材料のｙ個の層を含み、ここにｙ＝ｘ－１であり、(i)ｘは２以上の整数であり、(ii)第１の誘電体材料層は第１電極に直接接触し、(iii)ｘ番目の誘電体材料層は第２電極に直接接触し、導体材料層は、隣接する各誘電体材料層の対の間に配置されている積層ＣＥＳＤ。
７２．箇条７１の積層ＣＥＳＤであって、上記誘電体材料が０．５cP以上の粘度を有する流体である積層ＣＥＳＤ。
７３．箇条７１または箇条７２の積層ＣＥＳＤであって、上記誘電体材料が、３．９よりも大きい誘電率を有する電子エントロピー誘電体材料である積層ＣＥＳＤ。
７４．箇条７３の積層ＣＥＳＤであって、上記電子エントロピー誘電体材料が複数のポリマー分子を含む積層ＣＥＳＤ。
７５．箇条７４の積層ＣＥＳＤであって、上記ポリマー分子が、タンパク質、ポリ(ｐ－キシリレン)ポリ(マレイン酸)、アクリル酸ポリマー、メタクリル酸ポリマー、ポリエチレン・グリコール、ウレタン・ポリマー、エポキシ・ポリマー、シリコーン・ポリマー、テルペノイド・ポリマー、自然発生樹脂ポリマー、ポリイソシアネート、またはその組合せを含む積層ＣＥＳＤ。
７６．箇条７５の積層ＣＥＳＤであって、上記ポリマー分子が、ポリ(ｐ－キシリレン)、ゼイン、ポリ(マレイン酸)、セラック、シリコーン油、またはその組合せを含む積層ＣＥＳＤ。
７７．箇条７１～７６のいずれかの積層ＣＥＳＤであって、上記導体材料が、炭素質材料、金属、導電性ポリマー、またはその組合せを含む積層ＣＥＳＤ。
７８．箇条７７の積層ＣＥＳＤであって、上記導体材料が、炭素粉末、グラフェン、グラファイト、アルミニウム、ポリアニリン、またはポリ(Ｎ－メチルピロール) を含む積層ＣＥＳＤ。
７９．箇条７１～７８のいずれかの積層ＣＥＳＤであって、上記誘電体材料の各層が、０．００００１μmから１００μまでの範囲内の厚さを有する積層ＣＥＳＤ。
８０．箇条７９の積層ＣＥＳＤであって、上記誘電体材料の各層の厚さが同じである積層ＣＥＳＤ。
８１．箇条７１～８０のいずれかの積層ＣＥＳＤであって、上記導体材料の各層が０．００００５μmから１００００μmまでの範囲内の厚さを有する積層ＣＥＳＤ。
８２．箇条８１の積層ＣＥＳＤであって、上記導体材料の各層の厚さが同じである積層ＣＥＳＤ。
８３．箇条７１～８２のいずれかの積層ＣＥＳＤであって、上記積層配列の１つ以上の側端に接触して上記第１電極から上記第２電極まで延びる非導電性の封止材料をさらに具えている積層ＣＥＳＤ。
８４．箇条８３の積層ＣＥＳＤであって、上記非導電性の封止層が、重合ｐ－キシリレン、ｐ－キシリレン及びコモノマーから成るコポリマー、またはポリエチレン・テレフタレートを含む積層ＣＥＳＤ。
８５．箇条７１～８４のいずれかの積層ＣＥＳＤであって、上記ｘが２から１０までの整数であり、この積層ＣＥＳＤが１０μmから２０００μmまでの高さを有し、この高さは、上記第１電極の外向きの表面から上記第２電極の外向きの表面までを測った高さである積層ＣＥＳＤ。
８６．箇条７１～８４のいずれかの積層ＣＥＳＤであって：上記第１電極が、円筒形の形状、内向きの表面、外向きの表面、及び外径を有し；上記第２電極が、円筒形の形状、内向きの表面、外向きの表面、及び内径を有し、この内径は上記第１電極の外径よりも大きく；上記積層配列は、上記第１電極の外向きの表面と上記第２電極の内向きの表面との間に、上記誘電体材料層と上記導体材料層とが同心で交互する形で配置されている積層ＣＥＳＤ。
８７．箇条８６の積層ＣＥＳＤであって、上記第２電極の外向きの表面に接触する外側の非導電性コーティングをさらに具えている積層ＣＥＳＤ。
８８．積層容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）を作製する方法であって：(a)第１電極を用意するステップと；(b)誘電体材料層と導体材料層とが交互する積層配列を作製するステップであって、(i)誘電体材料層を第１電極の表面に付加し、(ii)導体材料層を誘電体材料層上に付加し、(iii)後続する誘電体材料層を導体材料層上に付加することによって積層配列を作製するステップと；(c)積層配列の最も外側の層に接触する第２電極を付加するステップとを含む方法。
８９．箇条８８の方法であって、上記ステップ(ii)と(iii)を連続的に反復して、上記誘電体材料層と上記導体材料層とが追加的に交互する複数の層を提供するステップをさらに含み、これらの追加的に交互する層は上記誘電体材料層で終端して、上記積層配列が、誘電体材料のｘ個の層を導体材料のｙ個の層と共に含み、ここにｘは２以上の整数であり、ｙ＝ｘ－１である方法。
９０．箇条８８または箇条８９の方法であって、上記積層配列の１つ以上の側端に接触して上記第１電極から上記第２電極まで延びる非導電性の封止材料を付加するステップをさらに含む方法。
９１．容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）であって：第１電極と；第２電極と；誘電体材料とを具え、第２電極は第１電極の周りに螺旋形状に巻回され、第１電極と第２電極との間に空間が存在し、誘電体材料は、第１電極と第２電極との間の空間を占め、第１電極及び第２電極に接触し、これらの電極間に位置する誘電体材料の領域が容量性素子を規定するＣＥＳＤ。
９２．箇条９０のＣＥＳＤであって、第１及び第２電極を包囲する管状の形状を有する第３電極をさらに具え、管状の第３電極と第２電極との間に空間が存在し、この空間に上記誘電体材料が充填されているＣＥＳＤ。
９３．積層容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）であって：電極間に空間を有する電極のアレイと；電極間の空間を占めて電極に接触する誘電体材料とを具え、この電極のアレイは、間隔をおいた平行な電極のｎ個のグループを具え、これらｎ個のグループは、ｎ個の平行に積層した、平行な電極の層を形成し、ここにｎは２以上の整数であり、各電極は、これらの層に平行な中心軸を有し；隣接する電極間に位置する誘電体材料の領域が容量性素子を規定する積層ＣＥＳＤ。
９２．箇条９１の積層ＣＥＳＤであって、各々の上記層内の上記平行な電極が、隣接する各層内の上記平行な電極に対して０～９０°回転している積層ＣＥＳＤ。
９３．箇条９２の積層ＣＥＳＤであって、各々の上記層内の上記平行な電極が、隣接する各層内の上記平行な電極に対して９０°回転している積層ＣＥＳＤ。
９４．箇条９１～９３のいずれかの積層ＣＥＳＤであって、この積層ＣＥＳＤが、４つの側端を規定する四角形の形状を有し、各電極が、このＣＥＳＤの１つの側端から突出する端部を有し、この積層ＣＥＳＤは、当該積層ＣＥＳＤの２つ以上の側端に付加された導体材料をさらに具え、この導体材料は、当該導体材料が付加された側端から突出する電極の端部に接触する積層ＣＥＳＤ。
９５．箇条９１～９４のいずれかの積層ＣＥＳＤであって、上記電極が、波状の曲線を有するワイヤ、または当該ワイヤの全長に沿った周期的な突起を含むワイヤを具えている積層ＣＥＳＤ。
９６．箇条９５の積層ＣＥＳＤであって、１つの層内で隣接する上記電極が、当該隣接する電極の上記波状の曲線または周期的な突起が互いに同相であるように配向され、あるいは、１つの層内で隣接する上記電極が、当該隣接する電極の上記波状の曲線または周期的な突起が互いに１８０°位相がずれるように配向されている積層ＣＥＳＤ。
９７．箇条９１～９６のいずれかの積層ＣＥＳＤであって、上記容量性素子の各々が固有静電容量を有し、この固有静電容量は、当該容量性素子に隣接する２つの電極間に印加される電圧によって変化する積層ＣＥＳＤ。
９８．箇条９１～９７のいずれかの積層ＣＥＳＤであって、上記電極の各々が、直円柱の形状、楕円柱の形状、球の形状、または半球の形状を有する積層ＣＥＳＤ。
９９．箇条９８の積層ＣＥＳＤであって、隣接する上記電極間の中心軸－中心軸の間隔が５nm～５mmの範囲内である積層ＣＥＳＤ。
１００．箇条９１～９９のいずれかの積層ＣＥＳＤであって、上記電極が導電性カーボン、導電性有機材料、導電性の金属、または半導体を含む積層ＣＥＳＤ。
１０１．箇条９１～１００のいずれかの積層ＣＥＳＤであって、上記電極の各々が陽極酸化され、またはポリ(ｐ－キシリレン)でコーティングされている積層ＣＥＳＤ。
１０２．箇条９１～１０１のいずれかの積層ＣＥＳＤであって、上記誘電体材料が、３．９よりも大きい相対誘電率を有する電子エントロピー誘電体材料である積層ＣＥＳＤ。
１０３．箇条１０２の積層ＣＥＳＤであって、上記電子エントロピー誘電体が複数のポリマー分子を含む積層ＣＥＳＤ。
１０４．箇条１０３の積層ＣＥＳＤであって、上記ポリマー分子が、タンパク質、ポリ(ｐ－キシリレン)ポリ(マレイン酸)、アクリル酸ポリマー、メタクリル酸ポリマー、ポリエチレン・グリコール、ウレタン・ポリマー、エポキシ・ポリマー、シリコーン・ポリマー、テルペノイド・ポリマー、自然発生樹脂ポリマー、ポリイソシアネート、またはその組合せを含む積層ＣＥＳＤ。
１０５．箇条１０３の積層ＣＥＳＤであって、上記ポリマー分子が、ポリ(ｐ－キシリレン)、ゼイン、ポリ(マレイン酸)、セラック、シリコーン油、またはその組合せである積層ＣＥＳＤ。
１０６．箇条１０２～１０５のいずれかの積層ＣＥＳＤであって、上記電子エントロピー誘電体材料が無機塩をさらに含む積層ＣＥＳＤ。
１０７．箇条１０６の積層ＣＥＳＤであって、上記無機塩が、ＩＩＡ族の金属イオン、ＩＩＩＡ族の金属イオン、またはその組合せを含む積層ＣＥＳＤ。
１０８．箇条９１～１０７のいずれかによる積層容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）を作製する方法であって：電極間に空間を有し、少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込まれるか誘電体材料に接触する電極のアレイを形成するステップであって、この電極のアレイは、平行な電極のｎ個のグループを具え、これらｎ個のグループは、ｎ個の平行に積層した平面内に配列され、ここにｎは２以上の整数であり、各電極は、平行に積層した平面に平行な中心軸を有する積層ＣＥＳＤ。
１０９．箇条１０８の方法であって、上記誘電体材料内に埋め込まれた上記電極のアレイを形成するステップが：上記電極のアレイを形成するステップと；上記電極間の空間内に上記誘電体材料を配置するステップとを含む方法。
１１０．箇条１０８の方法であって、上記誘電体材料内に埋め込まれた上記電極のアレイを形成するステップが：(a)第１の誘電体材料層を基板上に形成するステップと；(b)第１グループの電極を少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込むステップと；(c)後続する誘電体材料層を第１の誘電体材料層上に形成するステップと；(d)後続するグループの電極を少なくとも部分的に、上記後続する誘電体材料層内に埋め込むステップと；(e)平行に積層したｎ個の層が形成されるまで、ステップ(c)及び(d)を反復するステップとを含む方法。
１１１．箇条１０８の方法であって、上記誘電体材料内に埋め込まれた上記電極のアレイを形成するステップが：(a)第１の誘電体材料層を基板上に形成するステップと；(b)複数の平行な溝を、上記第１の誘電体材料層の上面内に形成するステップと；(c)第１の誘電体材料層内の平行な各溝内に電極を配置または形成して、第１グループの電極を形成するステップと；(d)後続する誘電体材料層を第１の誘電体材料層上に形成するステップと；(e)複数の平行な溝を、上記後続する誘電体材料層の上面内に形成するステップと；(f)この後続する誘電体材料層内の平行な各溝内に電極を配置または形成して、後続グループの電極を形成するステップと；(g)平行に積層したｎ個の層が形成されるまで、ステップ(d)～(f)を反復するステップと；(h)誘電体材料の上部層を、ｎ番目の上記平行な平面内に形成するステップとを含む方法。
１１２．箇条１０７～１１１のいずれかの方法であって、上記ＣＥＳＤが、４つの側端を規定する四角形の形状を有し、この方法が、少なくとも２つの隣接する側端に導体材料を付加するステップをさらに含む方法。
１１３．箇条９１～１０７のいずれかによる積層容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）を使用する方法であって、箇条９１～１０７のいずれかによる積層ＣＥＳＤを用意するステップと；隣接する２つの電極間に配置された容量性素子の両端間に電圧を印加するステップであって、この容量性素子は、隣接する電極間に位置する上記誘電体材料の領域であり、これにより容量性素子を電圧Ｖ１に充電するステップとを含む方法。
１１４．上記積層ＣＥＳＤを用意するステップが、箇条９４による積層ＣＥＳＤを用意するステップを含み、この積層ＣＥＳＤは、当該積層ＣＥＳＤの第１側端に付加された第１導体材料、及び当該積層ＣＥＳＤの隣接する側端に付加された第２導体材料を有し、上記隣接する２つの電極は当該積層ＣＥＳＤの隣接する層内にあり、この方法は：上記第１導体材料に電圧を印加するステップと；上記第２導体材料をＶssに接続するステップとをさらに含む方法。
１１５．箇条１１３の方法であって、上記積層ＣＥＳＤを用意するステップが、箇条９４による積層ＣＥＳＤを用意するステップを含み、この積層ＣＥＳＤは、当該積層ＣＥＳＤの第１側端に付加された第１導体材料、及び当該積層ＣＥＳＤの反対側に付加された第２導体材料を有し、上記隣接する２つの電極は当該積層ＣＥＳＤの単一の層内にあり、この方法は：上記第１導体材料に電圧を印加するステップと；上記第２導体材料をＶssに接続するステップとをさらに含む方法。
１１６．箇条１１３～１１６のいずれかの方法であって、上記積層ＣＥＳＤから負荷へエネルギーを供給するステップをさらに含み、この供給は：上記積層ＣＥＳＤ、及び当該積層ＣＥＳＤに接続された負荷を含む回路を用意し、上記容量性素子が電圧Ｖ１に充電されており；逆極性の電位を放電期間だけ上記容量性素子の両端間に印加し、この逆極性の電位は電圧Ｖ１未満であり、かつ上記容量性素子が高インピーダンス状態で発生する電圧未満であり、これにより上記容量性素子から負荷へ電力を供給することによって行う方法。
１１７．箇条１１６の方法であって、上記逆極性の電位を上記容量性素子の両端間に印加するステップが：上記第１導体材料及び上記第２導体材料の一方を上記負荷に接続し；上記第１導体材料及び上記第２導体材料の他方をＶssに接続するステップを含む方法。
開示する発明の原理を適用することができる多数の可能な実施形態を考慮すれば、説明した実施形態は本発明の好適例に過ぎないこと、及び本発明の範囲を限定するものとして解釈するべきでないことを認識するべきである。むしろ、本発明の範囲は以下の請求項によって規定される。従って、これらの請求項の範囲及び精神に入るすべてのものを本発明として特許請求する。

Claims (19)

  1. 電極のアレイと、
    誘電体材料とを具えた容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）であって、
    前記電極のアレイは、前記電極間に空間を有し、間隔をおいた複数の平行な前記電極のｎ個のグループを１つ以上の平面内に具え、該ｎ個のグループは、平行に積層したｎ個の、前記平行な電極の平面を形成し、ここにｎは２以上の整数であり、前記電極の各々が、当該電極が配置された前記平面に平行な中心軸を有し、円柱の断面形状または楕円柱の断面形状を有し、各々の前記平面内の前記平行な電極が、当該平面に隣接するそれぞれの前記平面内の前記平行な電極に対して５～４５°回転し、または９０°回転し、隣接する前記電極間の中心軸－中心軸の間隔が０．０５μm～２０００μmであり、
    前記誘電体材料は、前記電極間の空間を占めて前記電極に接触し、前記誘電体材料は複数の極性ポリマー分子を含み、隣接する前記電極間に位置する前記誘電体材料の領域が容量性素子を規定し、
    所定の層内の前記間隔をおいた複数の電極が使用中に同じ極性を有し、該所定の層に隣接する層内の前記間隔をおいた複数の電極が使用中に前記同じ極性とは逆の極性を有し、
    前記電極がワイヤを具え、該ワイヤは当該ワイヤの全長に沿った波状の曲線を有し、該ワイヤは、導電性カーボン、導電性有機材料、導電性の金属、または半導体を含み、
    １つの前記平面内で隣接する前記電極が、該隣接する電極の前記波状の曲線が互いに位相がずれるように配向されているＣＥＳＤ。
  2. 前記ＣＥＳＤが４つの側端を規定する四角形の形状を有し、前記電極の各々が、前記ＣＥＳＤの１つの前記側端から突出する端部を有し、前記ＣＥＳＤが、当該ＣＥＳＤの２つ以上の前記側端に付加された導体材料をさらに具え、該導体材料は、当該導体材料が付加された前記側端から突出する前記電極の前記端部に接触し、これにより、前記側端から突出する前記電極の前記端部どうしが、当該側端上で前記導体材料により並列に接続される、請求項１に記載のＣＥＳＤ。
  3. 前記ＣＥＳＤが４つの側端を規定する四角形の形状を有し、前記ＣＥＳＤが、
    ２つ以上の前記層内で垂直方向に整列した所定極性の前記電極どうしを直列に接続する電気相互接続体であって、前記垂直方向に整列した電極の各々が、前記ＣＥＳＤの１つの前記側端から突出する電極端部を有し、該電気相互接続体が前記突出する電極端部に接触する導電線である電気相互接続体と、
    所定の前記層内で水平方向に整列した所定極性の前記電極どうしを直列に接続する電気相互接続体であって、前記水平方向に整列した電極の各々が、前記ＣＥＳＤの１つの側端から突出する電極端部を有し、該電気相互接続体が前記突出する電極端部に接触する導電線である電気相互接続体と
    をさらに具えている、請求項１に記載のＣＥＳＤ。
  4. 前記容量性素子の各々が固有静電容量を有し、該固有静電容量が、前記容量性素子に隣接する２つの電極間に印加される電圧によって変化し、あるいは、
    前記誘電体材料が３．９よりも大きい相対誘電率を有する、
    請求項１～３のいずれかに記載のＣＥＳＤ。
  5. 電極のアレイと、
    誘電体材料とを具えた積層容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）であって、
    前記電極のアレイは、前記電極間に空間を有し、間隔をおいた複数の平行な前記電極のｎ個のグループを具え、該ｎ個のグループは、平行に積層したｎ個の、前記平行な電極の層を形成し、ここにｎは２以上の整数であり、前記電極の各々が、前記平行に積層した前記層に平行な中心軸を有し、円柱の断面形状または楕円柱の断面形状を有し、各々の前記層内の前記平行な電極が、当該層に隣接するそれぞれの前記層内の前記平行な電極に対して５～４５°回転し、または９０°回転し、隣接する前記電極間の中心軸－中心軸の間隔が０．０５μm～２０００μmであり、
    前記誘電体材料は、前記電極間の空間を占めて前記電極に接触し、前記誘電体材料は複数の極性ポリマー分子を含み、隣接する前記電極間に位置する前記誘電体材料の領域が容量性素子を規定し、
    前記層の各々が、使用中に互いに逆の極性が交互する間隔をおいた平行な前記電極のグループを具え、前記電極がワイヤを具え、該ワイヤは当該ワイヤの全長に沿った波状の曲線を有し、該ワイヤは、導電性カーボン、導電性有機材料、導電性の金属、または半導体を含み、１つの前記層内で隣接する前記電極が、該隣接する電極の前記波状の曲線が互いに位相がずれるように配向され、
    前記積層ＣＥＳＤが、４つの側端Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを規定する四角形の形状を有し、所定の前記層内の所定の極性の前記電極の各々が、前記積層ＣＥＳＤの第１の前記側端Ａから突出する電極端部を有し、前記所定の層内の前記所定の極性とは逆の極性の前記電極の各々が、前記積層ＣＥＳＤの前記側端Ａとは反対側の前記側端Ｃから突出する電極端部を有する積層ＣＥＳＤ。
  6. 前記積層ＣＥＳＤの前記第１の側端Ａ上の電気相互接続体であって、該電気相互接続体は、前記第１の側端Ａから突出する前記電極端部に接触し、これにより前記所定の層内の前記所定の極性の電極どうしを直列に接続する導電線である電気相互接続体と、
    前記積層ＣＥＳＤの前記反対側の側端Ｃから突出する前記電極端部に接触し、これにより前記所定の層内の前記逆の極性の電極どうしを直列に接続する導電線である電気相互接続体と
    をさらに具えている、請求項５に記載の積層ＣＥＳＤ。
  7. 各々の前記層内の前記平行な電極が、当該層に隣接するそれぞれの前記層内の前記平行な電極に対して９０°回転し、
    前記隣接する層内の所定の極性の前記電極の各々が、前記積層ＣＥＳＤの第２の前記側端Ｂから突出する電極端部を有し、前記隣接する層内の前記所定の極性とは逆の極性の前記電極の各々が、前記積層ＣＥＳＤの前記第２の側端Ｂとは反対側の側端Ｄから突出する電極端部を有する、請求項５に記載の積層ＣＥＳＤ。
  8. 前記容量性素子の各々が固有静電容量を有し、該固有静電容量が、前記容量性素子に隣接する２つの電極間に印加される電圧によって変化し、あるいは、
    前記誘電体材料が３．９よりも大きい相対誘電率を有する、
    請求項５に記載の積層ＣＥＳＤ。
  9. 請求項１に記載の容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）を作製する方法であって、
    少なくとも部分的に前記誘電体材料内に埋め込まれる前記電極のアレイを形成するステップを含み、前記電極間に空間を有し、前記誘電体材料は極性ポリマーを含み、前記電極のアレイは、積層した平行な平面内に配列された前記平行な電極のｎ個のグループを具え、ここにｎは２以上の整数であり、前記電極の各々が、当該電極が配置された前記平面に平行な中心軸を有し、円柱の断面形状または楕円柱の断面形状を有し、各々の前記層内の前記平行な電極が、当該層に隣接するそれぞれの前記層内の前記平行な電極に対して５～４５°回転し、または９０°回転し、隣接する前記電極間の中心軸－中心軸の間隔が０．０５μm～２０００μmであり、
    所定の層内の前記間隔をおいた複数の電極が使用中に同じ極性を有し、該所定の層に隣接する層内の前記間隔をおいた複数の電極が使用中に前記同じ極性とは逆の極性を有し、
    前記電極がワイヤを具え、該ワイヤは当該ワイヤの全長に沿った波状の曲線を有し、該ワイヤは、導電性カーボン、導電性有機材料、導電性の金属、または半導体を含み、
    １つの前記層内で隣接する前記電極が、該隣接する電極の前記波状の曲線が互いに位相がずれるように配向され、
    (i) 前記ＣＥＳＤが４つの側端を規定する四角形の形状を有し、前記電極の各々の一方の端部が前記ＣＥＳＤの１つの側端で前記誘電体材料から突出して電気接続を行うことができ、
    前記方法が、
    少なくとも２つの隣接する前記側端に導体材料を付加して、第１の前記層内の前記平行な電極の前記突出する端部が前記ＣＥＳＤの１つの前記側端上で前記導体材料に接触して前記導体材料により並列に電気接続されるようにし、前記第１の層に隣接する前記層内の前記平行な電極の前記突出する端部が前記ＣＥＳＤの前記１つの側端に隣接する前記側端上で前記導体材料に接触して前記導体材料により並列に電気接続されるようにするステップと、
    前記１つの側端上の前記導体材料を電圧源に接続するステップと、
    前記隣接する側端上の前記導体材料をＶssに接続するステップと
    をさらに含み、ここにＶssは前記電圧源の電圧よりも高い電圧または低い電圧であり、あるいは、
    (ii) 前記ＣＥＳＤは４つの側端を規定する四角形の形状を有し、前記電極の各々の一方の端部が前記ＣＥＳＤの１つの側端で前記誘電体材料から突出して電気接続を行うことができ、
    前記方法が、
    各々の前記層内の前記突出する端部どうしを電気相互接続体により直列に接続するステップをさらに含み、所定の前記層内の前記平行な電極が使用中に同じ極性を有し、前記所定の層に隣接する前記層内の前記平行な電極が使用中に前記同じ極性とは逆の極性を有する方法。
  10. 少なくとも部分的に誘電体材料内に埋め込まれる前記電極のアレイを形成するステップが、
    前記電極のアレイを形成するステップと、
    前記誘電体材料を前記電極間の空間内に配置するステップと
    をさらに含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記誘電体材料内に埋め込まれる前記電極のアレイを形成するステップが、
    (i) (a)前記誘電体材料の第１層を基板上に形成するステップと、
    (b)前記電極の第１グループを少なくとも部分的に前記誘電体材料内に埋め込むステップと、
    (c)後続する前記誘電体材料の層を前記第１層上に形成するステップと、
    (d)後続する前記電極のグループを少なくとも部分的に前記後続する誘電体材料の層内に埋め込むステップと、
    (e)平行に積層したｎ個の層が形成されるまで、ステップ(c)及び(d)を反復するステップと、
    (f)任意で、前記誘電体材料の最上層をｎ番目の前記平行な層上に形成するステップと
    を含み、あるいは、
    (ii) (a)前記誘電体材料の第１層を基板上に形成するステップと、
    (b)複数の平行な電極を、前記第１層の上面に付加するステップと、
    (c)後続する前記誘電体材料の層を前記第１層上に形成するステップと、
    (d)複数の平行な電極を、前記後続する誘電体材料の層の上面に配置するステップと、
    (e)平行に積層したｎ個の前記層が形成されるまで、ステップ(c)及び(d)を反復するステップと、
    (f)任意で、前記誘電体材料の最上層をｎ番目の前記平行な層上に形成するステップと
    を含み、あるいは、
    (iii) (a)前記第１の誘電体材料層を基板上に形成するステップと、
    (b)複数の平行な溝を、前記第１の誘電体材料層の上面内に形成するステップと、
    (c)前記第１の誘電体材料層内の、各々の前記平行な溝内に電極を配置または形成して、前記電極の第１グループを形成するステップと、
    (d)後続する前記誘電体材料層を前記第１層上に形成するステップと、
    (e)複数の平行な溝を、後続する前記誘電体材料層の上面内に形成するステップと、
    (f)前記後続する誘電体材料層内の、各々の前記平行な溝内に電極を配置または形成して、後続する前記電極のグループを形成するステップと、
    (g)平行に積層したｎ個の前記平面が形成されるまで、ステップ(d)～(f)を反復するステップと、
    (h)最上の前記誘電体材料層を、ｎ番目の平行な前記平面上に形成するステップと
    を含む、請求項９または１０に記載の方法。
  12. 前記電極のアレイを形成するステップが、前記電極を、ナノリソグラフィー、マイクロリソグラフィー、シャドーマスク重合、レーザー加工、インプリント、インクジェット、グラウバー、フレキソ印刷、またはスクリーン印刷プロセスによって形成するステップを含む、請求項９～１１のいずれかに記載の方法。
  13. 請求項１～４のいずれかに記載の容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）を使用する方法であって、
    請求項１～４のいずれかに記載のＣＥＳＤを用意するステップと、
    隣接する２つの前記電極間に配置された前記容量性素子の両端間に電圧を印加するステップであって、前記容量性素子は、前記隣接する電極間に位置する前記誘電体材料の領域であり、これにより前記容量性素子を電圧Ｖ１に充電するステップと
    を含む方法。
  14. 前記ＣＥＳＤ、及び当該ＣＥＳＤに接続された負荷を含む回路を用意するステップであって、前記容量性素子が電圧Ｖ１に充電されているステップと、
    逆極性の電位を放電期間だけ前記容量性素子の両端間に印加するステップであって、前記逆極性の電位は、前記電圧Ｖ１未満であり、かつ、前記容量性素子が高インピーダンス状態で発生する電圧未満であり、これにより前記容量性素子から前記負荷へ電力を供給するステップと
    によって、前記ＣＥＳＤから前記負荷へエネルギーを供給するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 請求項５に記載の積層容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）を作製する方法であって、
    少なくとも部分的に前記誘電体材料内に埋め込まれる前記電極のアレイを形成するステップを含み、前記電極間に空間を有し、前記電極のアレイは、積層した平行な層内に配列された前記平行な電極のｎ個のグループを具え、ここにｎは２以上の整数であり、前記電極の各々が、当該電極が配置された前記層に平行な中心軸を有し、円柱の断面形状または楕円柱の断面形状を有し、各々の前記層内の前記平行な電極が、当該層に隣接するそれぞれの前記層内の前記平行な電極に対して５～４５°回転し、または９０°回転し、隣接する前記電極間の中心軸－中心軸の間隔が０．０５μm～２０００μmであり、
    前記層の各々が、使用中に互いに逆の極性が交互する間隔をおいた平行な前記電極のグループを具え、前記電極がワイヤを具え、該ワイヤは当該ワイヤの全長に沿った波状の曲線を有し、該ワイヤは、導電性カーボン、導電性有機材料、導電性の金属、または半導体を含み、１つの前記層内で隣接する前記電極が、隣接する前記電極の前記波状の曲線が互いに位相がずれるように配向され、
    (i)前記積層ＣＥＳＤが、４つの側端Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを規定する四角形の形状を有し、各々の前記層内の交互する前記平行な電極どうしが、使用中に逆の極性を有し、前記電極がワイヤを具え、該ワイヤは当該ワイヤの全長に沿った波状の曲線を有し、各々の前記層内で隣接する前記電極が、隣接する前記電極の前記波状の曲線が互いに位相がずれるように配向され、所定の前記層内の所定の極性の前記電極の各々が、前記積層ＣＥＳＤの第１の前記側端Ａから突出する電極端部を有し、前記所定の層内の前記所定の極性とは逆の極性の前記電極の各々が、前記積層ＣＥＳＤの前記側端Ａとは反対側の前記側端Ｃから突出する電極端部を有し、前記隣接する層内の所定の極性の前記電極の各々が、前記積層ＣＥＳＤの第２の前記側端Ｂから突出する電極端部を有し、前記隣接する層内の前記所定の極性とは逆の極性の前記電極の各々が、前記積層ＣＥＳＤの前記第２の側端Ｂとは反対側の側端Ｄから突出する電極端部を有し、
    前記方法が、
    前記ＣＥＳＤの前記側端の各々に導体材料を付加して、当該側端から突出する前記電極端部どうしが当該側端上で前記導体材料に接触して前記導体材料により並列に電気接続されるようにするステップと、
    隣接する２つの前記側端上の前記導体材料を電圧源に接続するステップと、
    残りの２つの前記側端上の前記導体材料をＶssに接続するステップと
    をさらに含み、ここにＶssは前記電圧源の電圧よりも高い電圧または低い電圧であり、あるいは、
    (ii) 前記積層ＣＥＳＤが、４つの側端Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを規定する四角形の形状を有し、各々の前記層内の交互する前記平行な電極どうしが、使用中に逆の極性を有し、前記電極がワイヤを具え、該ワイヤは当該ワイヤの全長に沿った波状の曲線を有し、各々の前記層内で隣接する前記電極が、隣接する前記電極の前記波状の曲線が互いに位相がずれるように配向され、所定の前記層内の所定の極性の前記電極の各々が、前記積層ＣＥＳＤの第１の前記側端Ａから突出する電極端部を有し、前記所定の層内の前記所定の極性とは逆の極性の前記電極の各々が、前記積層ＣＥＳＤの前記側端Ａとは反対側の前記側端Ｃから突出する電極端部を有し、前記隣接する層内の所定の極性の前記電極の各々が、前記積層ＣＥＳＤの第２の前記側端Ｂから突出する電極端部を有し、前記隣接する層内の前記所定の極性とは逆の極性の前記電極の各々が、前記積層ＣＥＳＤの前記第２の側端Ｂとは反対側の側端Ｄから突出する電極端部を有し、
    前記方法が、
    １つの前記層内の所定の極性の前記電極どうしを電気相互接続体により直列に接続するステップと、
    前記１つの層内の前記所定の極性とは逆の極性の電極を電気相互接続体により直列に接続するステップと
    をさらに含む方法。
  16. 前記誘電体材料内に埋め込まれる前記電極のアレイを形成するステップが、
    (a)前記誘電体材料の第１層を基板上に形成するステップと、
    (b)前記電極の第１グループを少なくとも部分的に前記誘電体材料内に埋め込むステップと、
    (c)後続する前記誘電体材料の層を前記第１層上に形成するステップと、
    (d)前記電極の後続するグループを少なくとも部分的に前記後続する層内に埋め込むステップと、
    (e)平行に積層したｎ個の層が形成されるまで、ステップ(c)及び(d)を反復するステップと、
    (f)任意で、前記誘電体材料の最上層をｎ番目の前記平行な層上に形成するステップと
    を含み、あるいは、
    (a)前記誘電体材料の第１層を基板上に形成するステップと、
    (b)複数の平行な前記電極を前記誘電体材料の第１層の上面に付加するステップと、
    (c)後続する前記誘電体材料の層を前記第１層上に形成するステップと、
    (d)複数の平行な電極を、前記後続する層の上面に配置するステップと、
    (e)平行に積層したｎ個の層が形成されるまで、ステップ(c)及び(d)を反復するステップと、
    (f)任意で、前記誘電体材料の最上層をｎ番目の前記平行な層上に形成するステップと
    を含み、あるいは、
    (a)前記誘電体材料の第１層を基板上に形成するステップと、
    (b)複数の平行な溝を、前記誘電体材料の第１層の上面内に形成するステップと、
    (c)前記第１層内の、各々の前記平行な溝内に電極を配置または形成して、前記電極の第１グループを形成するステップと、
    (d)後続する前記誘電体材料の層を前記第１層上に形成するステップと、
    (e)前記後続する誘電体材料の層の上面内に複数の平行な溝を形成するステップと、
    (f)前記後続する層内の各々の前記平行な溝内に前記電極を配置または形成して、前記電極の後続グループを形成するステップと、
    (g)平行に積層したｎ個の前記層が形成されるまで、ステップ(d)～(f)を反復するステップと、
    (h)任意で、前記誘電体材料の最上層をｎ番目の前記平行な層上に形成するステップと
    を含む、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記電極のアレイを形成するステップが、前記電極を、ナノリソグラフィー、マイクロリソグラフィー、シャドーマスク重合、レーザー加工、インプリント、インクジェット、グラウバー、フレキソ印刷、またはスクリーン印刷プロセスによって形成するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 容量性エネルギー蓄積デバイス（ＣＥＳＤ）を使用する方法であって、
    請求項５に記載のＣＥＳＤを用意するステップと、
    隣接する２つの前記電極間に配置された前記容量性素子の両端間に電圧を印加するステップであって、前記容量性素子は、前記隣接する電極間に位置する前記誘電体材料の領域であり、これにより前記容量性素子を電圧Ｖ１に充電するステップと
    を含む方法。
  19. 前記ＣＥＳＤ、及び当該ＣＥＳＤに接続された負荷を含む回路を用意するステップであって、前記容量性素子が電圧Ｖ１に充電されているステップと、
    逆極性の電位を放電期間だけ前記容量性素子の両端間に印加するステップであって、前記逆極性の電位は、前記電圧Ｖ１未満であり、かつ、前記容量性素子が高インピーダンス状態で発生する電圧未満であり、これにより前記容量性素子から前記負荷へ電力を供給するステップと
    によって、前記ＣＥＳＤから前記負荷へエネルギーを供給するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
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