Нещодавно в журналі Science вийшла стаття авторів з інженерної школи Маккелві при Вашингтонському університеті в Сент-Луїсі, присвячена дослідженню гетерогенних тонкоплівкових структур для конденсаторів. Працюючи з сегнетоелектриками, вчені випадково створили конденсатор із щільністю енергії у 19 разів вищою, ніж у звичайних елементів. Фактично вони розробили акумулятор із фантастичною здатністю швидкої зарядки, чого не вистачає сучасним батареям.
Не секрет, що конденсатори є найважливішими елементами підсистем живлення та стабілізації схем. У сучасних смартфонах може бути до 500 конденсаторів, а в ноутбуках — до 800 і більше (коливальні контури ми умовно винесемо за дужки в цій статті, йдеться тільки про харчування). У всіх випадках конденсатори виступають як елементи, здатні швидко розряджатися та заряджатися, чого не скажеш про акумулятори. Але акумулятори відрізняються високою щільністю зберігання енергії. Вчені давно намагаються знайти золоту середину — високощільний акумулятор з можливістю швидко заряджатися і розряджатися, але при цьому залишатися цілим і здатним на безліч циклів заряду. Схоже, вчені зі США наблизилися до відкриття такого акумулятора.
У ході експерименту з гетероструктурами на основі титанату барію (BaTiO3) — до певної міри перовскіту — була відкрита «нова фізика», як висловилися вчені. У цілому нині дослідники отримали можливість керувати часом розряду (релаксації) сегнетоэлектрического конденсатора. Ця можливість випадково проявила себе щодо комбінації двовимірних і тривимірних матеріалів у комбінації 2D/3D/2D2 або бутерброду Au/MoS2/BaTiO3/MoS2/Au. Серцевина з титанату барію, оточена двома атомарно-тонкими шарами, створює шар товщиною всього 30 нм або 1/10 звичайного вірусу. Точно підібрані хімічні та нехімічні зв’язки, а також зазори між шарами стали ключем, який дозволив отримати контроль над часом розряду конденсатора-акумулятора.
Завдяки збереженню кристалічності 3D-сегнетоелектрика та мінімізації втрат енергії, вчені змогли досягти щільності зберігання енергії в цій багатошаровій гетерогенній структурі на рівні 191,7 Дж/см3 при ККД понад 90%. Точний контроль часу розряду відкриває перспективи широкого спектра застосувань і потенційно може прискорити розробку високоефективних систем накопичення енергії.
«Ми створили нову структуру, засновану на інноваціях, які ми вже запровадили у нашій лабораторії з використанням 2D-матеріалів, – сказав провідний автор роботи Санг-Хун Бей (Sang-Hoon Bae). — Спочатку ми не були зосереджені на накопиченні енергії, але в ході нашого дослідження властивостей матеріалів ми виявили нове фізичне явище, яке, як ми зрозуміли, може бути застосоване для накопичення енергії, яке було одночасно дуже цікавим і потенційно набагато кориснішим».
«Ми виявили, що час релаксації діелектрика може регулюватися або індукуватись дуже невеликим зазором у структурі матеріалу, – пояснив Бей. — Це нове фізичне явище, те, з чим ми раніше не стикалися. Це дозволяє нам маніпулювати діелектричним матеріалом таким чином, щоб він не поляризувався і не втрачав здатність заряджатися».
Вчені не приховують, що попереду буде довга оптимізація матеріалу, але навіть на етапі технологія перевищує досягнення інших лабораторій. Тому дослідники вбачають у новому «електронному матеріалі», як вони назвали своє рішення, великі перспективи.