Elektrostatički kondenzatori igraju ključnu ulogu u savremenoj elektronici. Omogućavaju ultrabrzo punjenje i pražnjenje, obezbeđujući skladištenje energije i napajanje za uređaje u rasponu od pametnih telefona, laptopa i rutera do medicinskih uređaja, automobilske elektronike i industrijske opreme. Međutim, feroelektrični materijali koji se koriste u kondenzatorima imaju značajan gubitak energije zbog svojstava materijala, što otežava obezbeđivanje visoke sposobnosti skladištenja energije.
Sang-Hoon Bae, pomoćnik profesora mašinstva i nauke o materijalima na Školi za inženjerstvo McKelvei na Univerzitetu Vašington u Sent Luisu, pozabavio se ovim dugogodišnjim izazovom u primeni feroelektričnih materijala za aplikacije za skladištenje energije.
U studiji objavljenoj 18. aprila u časopisu Nauka, Bae i njegovi saradnici, uključujući Rohana Mishra, vanrednog profesora mašinstva i nauke o materijalima, i Chuan Vanga, vanrednog profesora elektrotehnike i sistemskog inženjerstva, oba na VashU, i Frances Ross, profesora TDK u nauci o materijalima i inženjerstvu na MIT-u, uveo je pristup kontroli vremena relaksacije — unutrašnjeg svojstva materijala koje opisuje koliko je vremena potrebno da se naelektrisanje rasprši ili raspadne — feroelektričnih kondenzatora koristeći 2D materijale.
Radeći sa Baeom, doktorand Justin S. Kim i postdoktorski istraživač Sangmoon Han razvili su nove 2D/3D/2D heterostrukture koje mogu minimizirati gubitak energije uz očuvanje povoljnih svojstava materijala feroelektričnih 3D materijala.
Njihov pristup obuhvata 2D i 3D materijale u atomski tankim slojevima sa pažljivo projektovanim hemijskim i nehemijskim vezama između svakog sloja. Veoma tanko 3D jezgro je umetnuto između dva spoljna 2D sloja da bi se stvorio snop debljine samo oko 30 nanometara. To je otprilike jedna desetina veličine prosečne virusne čestice.
„Napravili smo novu strukturu zasnovanu na inovacijama koje smo već napravili u mojoj laboratoriji koja uključuje 2D materijale“, rekao je Bae. „U početku nismo bili fokusirani na skladištenje energije, ali tokom našeg istraživanja svojstava materijala, pronašli smo novi fizički fenomen za koji smo shvatili da se može primeniti na skladištenje energije, a to je bilo i veoma interesantno i potencijalno mnogo korisnije.“
2D/3D/2D heterostrukture su fino izrađene da sede u slatkoj tački između provodljivosti i neprovodljivosti gde poluprovodnički materijali imaju optimalna električna svojstva za skladištenje energije. Sa ovim dizajnom, Bae i njegovi saradnici su prijavili gustinu energije do 19 puta veću od komercijalno dostupnih feroelektričnih kondenzatora, a postigli su efikasnost od preko 90%, što je takođe bez presedana.
„Otkrili smo da vreme dielektrične relaksacije može biti modulisano ili indukovano veoma malim jazom u strukturi materijala“, objasnio je Bae. „Taj novi fizički fenomen je nešto što ranije nismo videli. Omogućava nam da manipulišemo dielektričnim materijalom na takav način da se ne polarizuje i ne gubi sposobnost punjenja.“
Dok se svet bori sa imperativom prelaska na elektronske komponente sledeće generacije, Bae-ov novi materijal heterostrukture utire put za elektronske uređaje visokih performansi, uključujući elektroniku velike snage, visokofrekventne bežične komunikacione sisteme i čipove integrisanih kola. Ovaj napredak je posebno važan u sektorima koji zahtevaju robusna rešenja za upravljanje energijom, kao što su električna vozila i razvoj infrastrukture.
„U osnovi, ova struktura koju smo razvili je novi elektronski materijal“, rekao je Bae.
„Još nismo 100% optimalni, ali već prevazilazimo ono što rade druge laboratorije. Naši sledeći koraci će biti da ovu strukturu materijala učinimo još boljom, tako da možemo da zadovoljimo potrebu za ultrabrzim punjenjem i pražnjenjem i veoma visokom energijom. gustine u kondenzatorima Moramo biti u stanju da to uradimo bez gubljenja kapaciteta za skladištenje zbog ponovljenih punjenja da bismo videli da se ovaj materijal široko koristi u velikoj elektronici, kao što su električna vozila i druge zelene tehnologije u razvoju.
