Исследователи из инженерной школы Маккелви при Вашингтонском университете в Сент-Луисе опубликовали в журнале Science статью об исследовании гетерогенных тонкопленочных структур для конденсаторов.

Работая с сегнетоэлектриками на основе титаната бария (BaTiO3), они неожиданно создали конденсатор с плотностью энергии в 19 раз выше, чем у обычных аналогов. По сути, они разработали аккумулятор с фантастической скоростью зарядки, чего не хватает современным батареям.

Конденсаторы играют важнейшую роль в системах питания и стабилизации электронных схем. В смартфонах может насчитываться до 500, а в ноутбуках - до 800 и более конденсаторов. В отличие от аккумуляторов, они способны очень быстро разряжаться и заряжаться, но уступают в плотности хранения энергии. Ученые давно пытались создать аккумулятор, сочетающий высокую плотность и возможность быстрой зарядки-разрядки.

В ходе экспериментов с гетероструктурами на основе титаната бария (перовскита BaTiO3) исследователи обнаружили "новую физику", позволяющую управлять временем разряда (релаксации) сегнетоэлектрического конденсатора. Случайным образом они достигли этого, комбинируя двумерные и трехмерные материалы в структуре 2D/3D/2D или "бутерброде" Au/MoS2/BaTiO3/MoS2/Au. Сердцевина из BaTiO3, окруженная двумя атомарно-тонкими слоями толщиной 30 нм, создает управляемые химические и межслойные связи. Благодаря сохранению кристалличности 3D-сегнетоэлектрика и минимизации потерь, ученые добились плотности энергии 191,7 Дж/см3 при КПД свыше 90% в этой многослойной гетерогенной структуре.

Точный контроль времени разряда открывает широкие перспективы для создания высокоэффективных накопителей энергии. "Мы создали новую структуру на основе инноваций с 2D-материалами. Сначала мы не фокусировались на накоплении энергии, но обнаружили новый физический феномен, который может быть крайне полезен для этого", - сказал ведущий автор Санг-Хун Бей.

По его словам, зазор в структуре материала позволяет регулировать время релаксации диэлектрика, не позволяя ему терять способность заряжаться. Ученые отмечают, что впереди долгий путь оптимизации, но уже сейчас их разработка превосходит достижения других лабораторий. Они видят большие перспективы в этом "электронном материале", как они назвали свое открытие.

Источник: Popular Mechanics