Российские ученые из Объединенного института ядерных исследований (Дубна) и Уральского федерального университета (Екатеринбург) совместно с коллегами из Казахстана и Азербайджана создали миниатюрные конденсаторы на основе диоксида циркония с высокой емкостью. Они работают при низком напряжении, используют новые физические принципы и подходят для энергосберегающей электроники и микросистем. Среди преимуществ материалов — технологичность, биосовместимость и сравнительно низкая стоимость, отмечают исследователи. Подробности публикации доступны в Advanced Journal of Chemistry.
Анатолий Зацепин, руководитель лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы» УрФУ, рассказал, что твердотельные ионные конденсаторы востребованы в микро- и наноэлектронике с минимальным энергопотреблением. Они применимы в компьютерах с субвольтовыми процессорами, смартфонах, газовых сенсорах, RFID-системах, бытовой и медицинской технике, а также в аэрокосмической и автомобильной отраслях.
Физики отмечают, что наноматериалы на основе диоксида циркония проявляют свойства smart-материалов и сложных физических систем. Они открывают возможности для дальнейших исследований и практических приложений в электронике, сенсорике и энергетике.
Александр Дорошкевич, руководитель сектора ядерно-физического материаловедения и ионно-имплантационных нанотехнологий ОИЯИ, сообщил, что сейчас совместно с коллегами из Узбекистана и Казахстана ведется разработка элементов перспективной неполупроводниковой электроники на базе стабилизированных оксидных циркониевых систем. Эти материалы способны работать в условиях высоких температур и сильного нейтронного облучения.
Наноионные конденсаторы, созданные из оксидных нанопорошков, обладают высокой удельной емкостью — при малых размерах и весе достигается максимальная емкость. Над их разработкой работают технологи по всему миру, чтобы увеличить емкость и уменьшить размеры фильтрующих конденсаторов. Это важно для надежной работы современной электроники, снижения напряжений и повышения частот на фоне электромагнитных помех.
Зацепин объяснил, что одной из ключевых проблем является эффект туннельных токов утечки. При уменьшении расстояния между обкладками классических конденсаторов возникают туннельные пробои и потеря работоспособности. Частично решить проблему помогают дорогие технологии кристаллического дизайна, но полностью устранить физические ограничения ранее не удавалось.
Российская команда предложила новую концепцию, позволяющую решить проблему туннельного пробоя. В основе устройств лежит туннельный эффект локализации электронов возле заряженной поверхности ионного диэлектрика.
По словам Дорошкевича, слой локализованных электронов на поверхности наночастиц образует виртуальную обкладку с электронным типом проводимости, а ионы электролита создают обкладку с ионным типом проводимости. Поверхность наночастиц физически разделяет разноименные заряды, а обе обкладки связаны емкостной связью.
Фактически исследователи «перевернули» принцип работы суперконденсатора: углеродный электрод заменили на диэлектрик, который в новой конструкции проводит ток благодаря квантовому эффекту при взаимодействии с ионами электролита и изменении внешнего напряжения.
Результатом стал нанопорошок с большой поверхностью, чувствительный даже к отдельным молекулам. Его можно использовать не только для накопления энергии, но и как сенсорный материал, отмечают ученые. Хотя пока созданы только лабораторные образцы, исследователи планируют развивать технологии в бионаноинженерии и в областях радиационных и критических технологий, используя биосовместимость наночастиц. Для этого предполагается привлечение партнеров и дополнительного финансирования.
