Elektrostatiska kondensatorer spelar en avgörande roll i modern elektronik. De möjliggör ultrasnabb laddning och urladdning, ger energilagring och ström för enheter från smartphones, bärbara datorer och routrar till medicinsk utrustning, bilelektronik och industriell utrustning. De ferroelektriska materialen som används i kondensatorer har dock betydande energiförluster på grund av sina materialegenskaper, vilket gör det svårt att tillhandahålla hög energilagringsförmåga.

Sang-Hoon Bae, biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis, har tagit itu med denna långvariga utmaning när det gäller att distribuera ferroelektriska material för energilagringstillämpningar.

I en studie publicerad 18 april i Science , Bae och hans medarbetare, inklusive Rohan Mishra, docent i maskinteknik och materialvetenskap, och Chuan Wang, docent i elektro- och systemteknik, båda vid WashU, och Frances Ross, TDK-professorn i materialvetenskap och teknik vid MIT, introducerade ett tillvägagångssätt för att styra relaxationstiden – en intern materialegenskap som beskriver hur lång tid det tar för laddning att försvinna eller avklinga – hos ferroelektriska kondensatorer som använder 2D-material.

Tillsammans med Bae utvecklade doktoranden Justin S. Kim och postdoktorn Sangmoon Han nya 2D/3D/2D heterostrukturer som kan minimera energiförluster samtidigt som de fördelaktiga materialegenskaperna hos ferroelektriska 3D-material bevaras.

Deras tillvägagångssätt sammanfogar 2D- och 3D-material i atomärt tunna lager med noggrant konstruerade kemiska och icke-kemiska bindningar mellan varje lager. En mycket tunn 3D-kärna infogas mellan två yttre 2D-lager för att skapa en stack bara cirka 30 nanometer tjock. Det är ungefär en tiondel av storleken på en genomsnittlig viruspartikel.

"Vi skapade en ny struktur baserad på de innovationer vi redan har gjort i mitt labb som involverar 2D-material," sa Bae. "Inledningsvis var vi inte fokuserade på energilagring, men under vår utforskning av materialegenskaper hittade vi ett nytt fysiskt fenomen som vi insåg kunde tillämpas på energilagring, och det var både mycket intressant och potentiellt mycket mer användbart."

2D/3D/2D-heterostrukturerna är fint utformade för att sitta i den söta punkten mellan konduktivitet och icke-konduktivitet där halvledande material har optimala elektriska egenskaper för energilagring. Med denna design rapporterade Bae och hans medarbetare en energitäthet som är upp till 19 gånger högre än kommersiellt tillgängliga ferroelektriska kondensatorer, och de uppnådde en effektivitet på över 90 %, vilket också är utan motstycke.

"Vi fann att dielektrisk relaxationstid kan moduleras eller induceras av ett mycket litet gap i materialstrukturen," förklarade Bae. "Det där nya fysiska fenomenet är något vi inte hade sett tidigare. Det gör det möjligt för oss att manipulera dielektriskt material på ett sådant sätt att det inte polariseras och förlorar laddningsförmåga."

När världen brottas med kravet att gå över till nästa generations elektronikkomponenter, banar Baes nya heterostrukturmaterial väg för högpresterande elektroniska enheter, som omfattar högeffektelektronik, högfrekventa trådlösa kommunikationssystem och integrerade kretschips. Dessa framsteg är särskilt avgörande i sektorer som kräver robusta energihanteringslösningar, såsom elfordon och utveckling av infrastruktur.

"I grunden är den här strukturen vi har utvecklat ett nytt elektroniskt material," sa Bae.

"Vi är ännu inte 100% optimala, men vi överträffar redan vad andra labb gör. Våra nästa steg blir att göra denna materialstruktur ännu bättre, så att vi kan möta behovet av ultrasnabb laddning och urladdning och mycket hög energi tätheter i kondensatorer Vi måste kunna göra det utan att förlora lagringskapacitet över upprepade laddningar för att se detta material användas i stor utsträckning i stora elektronik, som elfordon, och andra gröna teknologier under utveckling."

Mer information: Sangmoon Han et al, Hög energitäthet i artificiella heterostrukturer genom avslappningstidsmodulering, Science (2024). DOI:10.1126/science.adl2835. www.science.org/doi/10.1126/science.adl2835

Journalinformation: Vetenskap , Naturmaterial

Tillhandahålls av Washington University i St. Louis