Российская научная группа из Объединенного института ядерных исследований (Дубна) и Уральского федерального университета (Екатеринбург) с коллегами из Казахстана и Азербайджана создала на основе диоксида циркония образцы крошечных конденсаторов с огромной емкостью. Они работают при сверхнизком напряжении, на новых физических принципах и подходят для сверхэкономичной электроники и микросистем. Другие важные преимущества новых систем — биосовместимость, высокая технологичность и относительно низкая стоимость изделий, поясняют ученые. Описание разработки исследователи опубликовали в Advanced Journal of Chemistry.
Анатолий Зацепин. Фото: пресс-служба УрФУ
«Сегодня твердотельные ионные конденсаторы пользуются огромным спросом во всем мире. Они крайне востребованы в микро- и наноэлектронике с минимальным энергопотреблением. В частности, они перспективны для использования в компьютерах с субвольтовыми процессорами, смартфонах, датчиках газов, FRID-системах, бытовой и медицинской технике, аэрокосмической отрасли, автомобилестроении и других отраслях», — подчеркивает руководитель лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы» УрФУ (создана по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030») Анатолий Зацепин.
Наноматериалы на основе диоксида циркония обладают признаками smart-материалов и «сложных» физических систем, добавляют физики. Они перспективны для дальнейших исследований и разработки практических приложений электроники, сенсорики и энергетики.
«Наша команда обладает достаточными техническими возможностями и компетенциями для создания таких материалов. В настоящий момент совместно с коллегами из Узбекистана и Казахстана с использованием размерных эффектов на основе стабилизированных оксидных циркониевых систем идет разработка элементов перспективной неполупроводниковой, так называемой гомогенной, электроники, способной работать в условиях сильных нейтронных полей и высоких температур», — говорит руководитель сектора ядерно-физического материаловедения и ионно-имплантационных нанотехнологий ОИЯИ Александр Дорошкевич.
Наноионные конденсаторы на основе оксидных нанопорошков обладают высокой удельной емкостью, то есть позволяют получить максимально возможную емкость при минимальных габаритах и весе, добавляют ученые. Над созданием таких конденсаторов и улучшением их свойств работают технологи во всем мире, которые решают задачу повышения удельной емкости и снижения размеров фильтрующих конденсаторов. Эти характеристики необходимы для устойчивой работы современной электроники и микросистемной техники, предполагающих снижение рабочих напряжений и повышение операционных частот на фоне увеличивающихся уровней электромагнитных помех.
«Одной из главных проблем, с которой сталкиваются разработчики, — эффект “туннельных токов утечки”. При уменьшении расстояния между обкладками классических конденсаторов ниже определенного предела начинаются туннельный пробой и потеря работоспособности прибора. Проблему можно частично решить с помощью дорогостоящих технологий кристаллического дизайна с использованием новых материалов, но полностью “победить” физику и природу таким путем не удавалось», — поясняет Анатолий Зацепин.
Российские ученые разработали новую концепцию, с помощью которой удалось решить проблему туннельного пробоя. В качестве основы новых устройств они использовали родственное физическое явление — туннельный эффект локализации электронов вблизи заряженной поверхности ионного диэлектрика.
«Слой локализованных электронов в приповерхностной области наночастиц (область пространственного заряда) образует обобщенную пространственно-распределенную виртуальную обкладку с электронным типом проводимости, а ионы электролита на поверхности наночастиц — обкладку с ионным типом проводимости. Поверхность наночастиц является физическим разделителем разноименных зарядов. Обе обкладки такого конденсатора связаны между собой электрически емкостной связью», — описывает суть работы Александр Дорошкевич.
Фактически ученые «перевернули» обычный суперконденсатор, в котором электрод делают из углерода, хорошо проводящего ток. Углерод заменили на диэлектрик — материал, который обычно ток не пропускает. Но в новой конструкции диэлектрик начал проводить ток за счет квантового эффекта: когда к нему притягиваются ионы электролита и при смене напряжения внешним полем.
В итоге получили нанопорошок с особой структурой. За счет того, что поверхность частиц гораздо больше, чем у обычного твердого тела, порошок получился крайне чувствительный — может «почувствовать» даже отдельные молекулы, поэтому его также можно рассматривать не только в качестве материала для накопителя энергии, но и в качестве материала для датчиков, добавляют исследователи.
Несмотря на то что на сегодня созданы только лабораторные образцы, ученые полагают, что работу также можно развивать в направлении бионаноинженерии (из-за биосовместимости наночастиц) и в сфере радиационных и критических технологий. Для этого они будут искать партнеров и дополнительное финансирование.
Справка
В создании и исследовании свойств нового материала приняли участие специалисты Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия), Карагандинского индустриального университета (Темиртау, Казахстан), Кызылординского университета им. Коркит-Аты (Кызылордина, Казахстан), Государственного университета «Дубна» (Дубна, Россия), Агентства инноваций и цифрового развития (Баку, Азербайджан), Центра исследований низкоразмерных материалов при Хазарском университете (Баку, Азербайджан), Уральского федерального университета (Екатеринбург, Россия) и Института физики твердого тела им. Г. Наджакова Болгарской академии наук (София, Болгария).
Источник информации и фото: пресс-служба УрФУ
