Вычислена структура реконструированной поверхности диоксида рутения, способная объяснить появление псевдоемкости на катодах в суперконденсаторах.
Исследование провели специалисты из Сколтеха и Ереванского государственного университета.
Нанотехнологии приводят к уменьшению размеров электронных устройств до нанометровых, что увеличивает влияние поверхностных и квантовых эффектов на свойства и стабильность всего устройства. Поэтому понимание процессов, происходящих на поверхности материалов, является критически важным. В настоящее время наиболее изученным и используемым материалом для электронных приложений является диоксид рутения RuO2. 2.
Его применяют в суперконденсаторах (конденсаторах с емкостью, значительно превосходящей емкость обычных конденсаторов при равных размерах) для изготовления катодов. Много эффектов, происходящих в суперконденсаторах, до сих пор не изучены. Неизвестна, например, причина возникновения псевдоемкости на поверхности катодов суперконденсаторов.
Псевдоемкость — это явление накопления заряда на поверхности электродов благодаря электрохимическим реакциям. Обычно она связана с проникновением (интеркаляцией) ионов водорода в поверхность катодов. Псевдоемкость можно наблюдать экспериментально, но до настоящего исследования причину ее возникновения не удавалось объяснить. Для этого потребовались современные методы компьютерного моделирования, позволяющие исследовать процессы на атомном уровне.
Многочисленные исследования посвящены изучению кристаллической структуры поверхности (110) диоксида рутения, поскольку она признана самой стойкой и перспективной для электронных приложений.
Была предсказана новая термодинамически устойчивая атомная структура поверхности (110) диоксида рутения. В этой структуре один четырехкоординированный атом рутения связан с четырьмя атомами кислорода: двумя двухкоординированными, прикрепленными к поверхности, и двумя однокоординированными.
Тщательный анализ устойчивости указывает на то, что данная перестройка обладает меньшей поверхностной энергией по отношению к исследованным ранее вариантам модификации поверхности (110), и может сохраняться в обычных условиях. Александр КвашнинОдин из авторов исследования — сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов Сколтеха, которую руководит профессор Артем Оганов.
Результаты были сравнены с данными эксперимента по моделированию снимков сканирующей туннельной микроскопии. Экспериментальные снимки СТМ полностью совпали как с новой предсказанной реконструкцией, так и со снимками ранее исследованных модификаций поверхности (110)-RuO. 2Эксперимент показал, что все изученные поверхности одинаковые и не поддаются разграничению.
Моделирование процесса интеркаляции атомов водорода в реконструированную поверхность (110) показало энергетическую выгоду предсказанной реконструкции по сравнению с чистой поверхностью (110) и другими исследованными модификациями.
Анализ характеристик новой поверхности, ее электрохимических свойств и результатов моделирования по СТМ позволил ученым понять появление псевдоемкости из-за особенной атомной структуры реконструированной поверхности (110) диоксида рутения, где протекают окислительно-восстановительные реакции.
Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
