Российские ученые из Объединенного института ядерных исследований (Дубна) и Уральского федерального университета (Екатеринбург), совместно с коллегами из Казахстана и Азербайджана, разработали образцы миниатюрных конденсаторов с высокой емкостью, используя диоксид циркония. Эти устройства функционируют при минимальном напряжении, основаны на новых физических принципах и применимы в электронике, обеспечивающей значительную экономию энергии, а также в микросистемах. Помимо этого, новые системы обладают такими важными характеристиками, как биосовместимость, высокая степень технологичности и умеренная стоимость производства, отмечают исследователи. Описание разработки опубликовали в Advanced Journal of Chemistry.
«В настоящее время твердотельные ионные конденсаторы пользуются значительным спросом во всем мире. Они особенно ценятся в микро- и наноэлектронике, где требуется минимизация энергопотребления. По мнению руководителя лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы» УрФУ (создана в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030») Анатолия Зацепина, эти конденсаторы имеют хорошие перспективы для применения в компьютерах с процессорами, работающими при субвольтовом напряжении, смартфонах, газовых датчиках, системах FRID, бытовой и медицинской технике, аэрокосмической отрасли, автомобилестроении и других сферах.
По мнению физиков, наноматериалы, созданные на основе диоксида циркония, демонстрируют свойства интеллектуальных материалов и сложных физических систем. Это делает их перспективными для углублённого изучения и создания практических решений в области электроники, сенсорных технологий и энергетики.
«У нас есть все необходимые технические знания и опыт для производства подобных материалов. В настоящее время, работая вместе с коллегами из Узбекистана и Казахстана, мы разрабатываем элементы перспективной полупроводниковой, так называемой гомогенной, электроники на основе стабилизированных оксидных циркониевых систем с использованием эффектов масштабирования. Данная электроника предназначена для эксплуатации в условиях интенсивного нейтронного облучения и высоких температур», — отметил руководитель сектора ядерно-физического материаловедения и ионно-имплантационных нанотехнологий ОИЯИ Александр Дорошкевич.
По словам ученых, наноионные конденсаторы, изготовленные на основе оксидных нанопорошков, характеризуются высокой удельной емкостью, что обеспечивает максимальную емкость при минимальных размерах и массе. Технологи по всему миру ведут разработки в области создания и совершенствования таких конденсаторов, фокусируясь на повышении удельной емкости и уменьшении габаритов фильтрующих конденсаторов. Данные характеристики критически важны для стабильной работы современной электроники и микросистемной техники, где наблюдается тенденция к снижению рабочих напряжений и увеличению операционных частот, что происходит на фоне роста уровня электромагнитных помех.
«Разработчиков часто ожидает такая проблема, как эффект «туннельных токов утечки». Когда расстояние между обкладками обычных конденсаторов становится слишком малым, возникает туннельный пробой, что приводит к потере функциональности устройства. Частичное решение заключается в применении сложных технологий, связанных с кристаллической структурой и новыми материалами, однако полностью устранить этот физический феномен таким образом не представляется возможным, как отмечает Анатолий Зацепин.
Новая концепция, созданная российскими учеными, позволила найти решение для задачи туннельного пробоя. В основу новых устройств положено использование родственного физического явления – туннельного эффекта локализации электронов вблизи заряженной поверхности ионного диэлектрика.
«По словам Александра Дорошкевича, в приповерхностной области наночастиц формируется слой локализованных электронов (область пространственного заряда), который создает пространственно-распределенную виртуальную обкладку с электронным типом проводимости. В свою очередь, ионы электролита, находящиеся на поверхности наночастиц, формируют обкладку с ионным типом проводимости. Поверхность наночастиц выступает в роли физического барьера, разделяющего заряды противоположного знака. Электрическая емкостная связь соединяет обе эти обкладки.
По сути, исследователи изменили принцип работы стандартного суперконденсатора, в котором для изготовления электродов используют углерод, обладающий высокой электропроводностью. Вместо углерода был применен диэлектрик – материал, предназначенный для изоляции от тока. Однако в новой разработке диэлектрик стал проводить электрический ток благодаря квантовому эффекту: при взаимодействии с ионами электролита и под воздействием внешнего электрического поля.
В конечном итоге был получен нанопорошок с уникальной структурой. Благодаря значительно большей площади поверхности частиц по сравнению с обычным твердым телом, порошок обладает высокой чувствительностью, способной реагировать даже на отдельные молекулы. В связи с этим, по мнению исследователей, его можно использовать не только для создания накопителей энергии, но и в качестве материала для датчиков.
Хотя на данный момент разработаны лишь прототипы, исследователи считают, что дальнейшее развитие возможно и в области бионаноинженерии (благодаря биосовместимости наночастиц), а также в сфере технологий, связанных с радиацией и критическими процессами. В целях реализации этих планов они планируют искать партнеров и привлекать дополнительное финансирование.
Справка
Разработка и изучение характеристик нового материала были осуществлены при участии специалистов из Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия), Карагандинского индустриального университета (Темиртау, Казахстан), Кызылординского университета им. Коркит-Аты (Кызылорда, 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).