Sang-Hoon Bae, assistente professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali presso la McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis, ha affrontato questa sfida di lunga data nell'implementazione di materiali ferroelettrici per applicazioni di stoccaggio dell'energia.

In uno studio pubblicato il 18 aprile su Science , Bae e i suoi collaboratori, tra cui Rohan Mishra, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, e Chuan Wang, professore associato di ingegneria elettrica e dei sistemi, entrambi alla WashU, e Frances Ross, professore TDK di scienza e ingegneria dei materiali al MIT, ha introdotto un approccio per controllare il tempo di rilassamento, una proprietà interna del materiale che descrive quanto tempo impiega la carica a dissiparsi o decadere, dei condensatori ferroelettrici utilizzando materiali 2D.

Lavorando con Bae, il dottorando Justin S. Kim e il ricercatore post-dottorato Sangmoon Han hanno sviluppato nuove eterostrutture 2D/3D/2D che possono ridurre al minimo la perdita di energia preservando le proprietà vantaggiose dei materiali 3D ferroelettrici.

Il loro approccio inserisce materiali 2D e 3D in strati atomicamente sottili con legami chimici e non chimici attentamente progettati tra ogni strato. Un nucleo 3D molto sottile viene inserito tra due strati 2D esterni per creare uno stack spesso solo circa 30 nanometri. Si tratta di circa un decimo delle dimensioni di una particella virale media.

"Abbiamo creato una nuova struttura basata sulle innovazioni che abbiamo già realizzato nel mio laboratorio che coinvolgono materiali 2D", ha affermato Bae. "Inizialmente, non eravamo concentrati sullo stoccaggio dell'energia, ma durante la nostra esplorazione delle proprietà dei materiali, abbiamo scoperto un nuovo fenomeno fisico che abbiamo realizzato poteva essere applicato allo stoccaggio dell'energia, e che era molto interessante e potenzialmente molto più utile."

Le eterostrutture 2D/3D/2D sono finemente realizzate per collocarsi nel punto ottimale tra conduttività e non conduttività, dove i materiali semiconduttori hanno proprietà elettriche ottimali per l'accumulo di energia. Con questo progetto, Bae e i suoi collaboratori hanno riportato una densità di energia fino a 19 volte superiore rispetto ai condensatori ferroelettrici disponibili in commercio e hanno raggiunto un'efficienza superiore al 90%, anch'essa senza precedenti.

"Abbiamo scoperto che il tempo di rilassamento dielettrico può essere modulato o indotto da un gap molto piccolo nella struttura del materiale", ha spiegato Bae. "Questo nuovo fenomeno fisico è qualcosa che non avevamo mai visto prima. Ci consente di manipolare il materiale dielettrico in modo tale che non si polarizzi e non perda la capacità di carica."

Mentre il mondo è alle prese con l’imperativo della transizione verso componenti elettronici di prossima generazione, il nuovo materiale eterostruttura di Bae apre la strada a dispositivi elettronici ad alte prestazioni, che comprendono elettronica ad alta potenza, sistemi di comunicazione wireless ad alta frequenza e chip di circuiti integrati. Questi progressi sono particolarmente cruciali nei settori che richiedono solide soluzioni di gestione dell'energia, come i veicoli elettrici e lo sviluppo delle infrastrutture.

"Fondamentalmente, questa struttura che abbiamo sviluppato è un nuovo materiale elettronico", ha affermato Bae.

"Non siamo ancora ottimali al 100%, ma stiamo già superando ciò che stanno facendo gli altri laboratori. Il nostro prossimo passo sarà quello di migliorare ulteriormente la struttura di questo materiale, in modo da poter soddisfare la necessità di carica e scarica ultrarapida e di energia molto elevata." densità nei condensatori. Dobbiamo essere in grado di farlo senza perdere la capacità di stoccaggio a causa di cariche ripetute per vedere questo materiale ampiamente utilizzato nei dispositivi elettronici di grandi dimensioni, come i veicoli elettrici e altre tecnologie verdi in via di sviluppo."