Міжнародна команда дослідників представила нові 2D/3D/2D гетероструктури з титанату барію і дисульфіду молібдену для електростатичних конденсаторів. Вони забезпечили високу щільність накопиченої енергії – у 19 разів більшу за звичайну – і ККД у 90%. Новий матеріал дасть змогу не втрачати енергію і швидко заряджати смартфони, медичне обладнання, електромобілі та інші пристрої. Дослідження опубліковано в журналі Science.
Електростатичні конденсатори відіграють важливу роль у сучасній електроніці. Вони забезпечують надшвидке заряджання різних пристроїв – починаючи від телефону і ноутбука і закінчуючи медичними приладами, промисловим обладнанням і автомобільним ПЗ. У конденсаторах використовуються сегнетоелектричні матеріали, які втрачають накопичену енергію через свої властивості.
Американські та корейські вчені вирішили усунути цю проблему і зосередилися на процесі релаксації. Він описує, скільки часу буде потрібно для розсіювання або розпаду заряду сегнетоелектричних конденсаторів з використанням двовимірних матеріалів.
Дослідники розробили нові 2D/3D/2D гетероструктури, що мінімізують втрату енергії та зберігають кристалічний устрій конденсатора. Новий матеріал складається з атомарно тонких компонентів: тонка 3D-серцевина з титанату барію вставляється між 2D-шарами з дисульфіду молібдену. Усі разом вони утворюють шар завтовшки 30 нанометрів – приблизно 1/10 розміру звичайної вірусної частинки. Гетероструктури забезпечують оптимальне співвідношення між провідністю і непровідністю.
У новій конструкції щільність накопиченої енергії вийшла в 19 разів більшою, ніж у доступних на сьогодні сегнетоелектричних конденсаторів – 191,7 джоуля на см3. Також вчені отримали безпрецедентний показник ККД конденсатора – 90%.
Результати дослідників відкривають шлях для створення високопродуктивних електронних пристроїв, зокрема високочастотних систем бездротового зв’язку та мікросхем інтегральних схем.
«По суті, розроблена нами структура є новим електронним матеріалом. Ми ще не досягли 100% ККД, але вже перевершуємо результати інших лабораторій. Нашими наступними кроками буде вдосконалення структури цього матеріалу, щоб ми могли задовольнити потребу в надшвидкому заряджанні та розряджанні, а також у конденсаторах з дуже високою щільністю енергії. Потрібно зробити це без втрати місткості акумулятора під час повторного заряджання, щоб цей матеріал широко використовували у великій електроніці, як-от електромобілі та інших екологічно чистих технологіях, що розвиваються», – розповів Санг-Хун Бе, співавтор дослідження з Вашингтонського університету.