Прорыв в мире конденсаторов: сверхэффективные материалы открывают путь для новой электроники
Ученые Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали новый материал , повышающий способность хранить электростатическую энергию . Материал состоит из искусственных гетероструктур, состоящих из независимых 2D и 3D мембран, плотность энергии которых до 19 раз выше, чем у имеющихся в продаже конденсаторов. Это позволит нам создавать инновационные конденсаторы и изменить принцип работы электроники. Руководителем исследования является профессор Сан-Хун Пэ, который описал этот новый материал журналу Science .
Электростатические конденсаторы играют решающую роль в современной электронике. Они обеспечивают очень быструю зарядку и разрядку, обеспечивая накопление энергии и мощности для самых разных устройств: от смартфонов, ноутбуков и маршрутизаторов до медицинских устройств, автомобильной электроники и промышленного оборудования. Их функция, с одной стороны, заключается в фильтрации и стабилизации электрических сигналов, устранении помех, а с другой — в накоплении энергии для высвобождения управляемого импульса, когда это необходимо. Этот второй момент делает важной мощность, которую может аккумулировать конденсатор.
Однако сегнетоэлектрические материалы, используемые в конденсаторах, имеют значительные потери энергии из-за своих свойств материала, что затрудняет обеспечение высокой емкости хранения энергии.
Искусственные гетероструктуры, состоящие из независимых 2D и 3D мембран, разработанные лабораторией Сан-Хун Бэ, имеют плотность энергии до 19 раз выше, чем у коммерчески доступных конденсаторов.
Бэ и его сотрудники, в том числе Рохан Мишра, доцент кафедры машиностроения и материаловедения, и Чуан Ван, доцент кафедры электротехники и системотехники Вашингтонского университета, а также Фрэнсис Росс, профессор TDK в области материаловедения и инженерии в Массачусетском технологическом институте, представили подход к управлению временем релаксации – внутренним свойством материала, которое описывает время, необходимое для рассеивания или распада заряда – сегнетоэлектрических конденсаторов с использованием 2D-материалов.
Команда разработала новые 2D/3D/2D гетероструктуры, которые могут минимизировать потери энергии, сохраняя при этом преимущества 3D-сегнетоэлектрических материалов. Их подход умело смешивает 2D и 3D материалы в атомарно тонкие слои с тщательно продуманными химическими и нехимическими связями между каждым слоем. Очень тонкое 3D-ядро зажато между двумя внешними 2D-слоями, образуя стопку толщиной всего около 30 нанометров. Это примерно одна десятая размера средней вирусной частицы. На практике сэндвичи изготавливаются из материалов с чередующимися двух- и трехмерными атомными структурами, свойства которых по сохранению энергии уникальны.
«Мы создали новую структуру на основе инноваций, которые мы уже внедрили в моей лаборатории с использованием 2D-материалов», — сказал Бэ. «Изначально мы не были сосредоточены на хранении энергии, но, исследуя свойства материалов, мы обнаружили новое физическое явление, которое, как мы поняли, можно применить к хранению энергии, и оно было очень интересным и потенциально гораздо более полезным».
Гетероструктуры 2D/3D/2D были тщательно разработаны, чтобы обеспечить баланс между проводимостью и непроводимостью, где полупроводниковые материалы обладают оптимальными электрическими свойствами для хранения энергии. Благодаря этой конструкции Бэ и его коллеги сообщили, что плотность энергии в 19 раз выше, чем у коммерчески доступных сегнетоэлектрических конденсаторов, и достигли эффективности более 90%, что также является беспрецедентным.
«По сути, структура, которую мы разработали, представляет собой новый электронный материал», — сказал Бэ. «Мы еще не на 100% оптимальны, но уже превосходим другие лаборатории. Нашими следующими шагами будет дальнейшее улучшение структуры этого материала, чтобы мы могли удовлетворить потребность в сверхбыстрой зарядке и разрядке и очень высокой плотности энергии в конденсаторах. Нам нужно иметь возможность сделать это, не теряя емкости памяти из-за многократной зарядки, чтобы этот материал широко использовался в крупной электронике, такой как электромобили, и в других развивающихся экологических технологиях».
Благодаря нашему Telegram-каналу вы можете быть в курсе публикации новых статей «Экономические сценарии».
Статья « Прорыв в мире конденсаторов: сверхэффективные материалы открывают путь для новой электроники» опубликована в журнале Scenari Economici .
Это автоматический перевод публикации, опубликованной в журнале Scenari Economici по адресу https://scenarieconomici.it/svolta-nel-mondo-dei-condensatori-materiali-super-performanti-aprono-la-strada-a-una-nuova-elettronica/ в Sat, 27 Apr 2024 07:00:09 +0000.