Необходимость создания эффективных методов хранения электроэнергии в XXI веке стоит перед учеными как одна из самых актуальных задач, и исследователи во всем мире активно работают над увеличением емкости батарей. Армейская исследовательская лаборатория США достигла определенных результатов в разработке ультратонких антисегнетоэлектрических пленок на основе гафната свинца. Данное соединение, сложное в производстве, демонстрирует значительные перспективы для использования в аккумуляторах и электрических клапанах.
Обновлено 20 мая: добавлена ссылка на публикацию в рецензируемом журнале APL Materials и откорректирован последний абзац.
Новостью о многообещающем открытии поделилась Армейская исследовательская лаборатория ( ARL) поделилась в недавнем пресс-релизе (ссылка может быть недоступна из России). Также о новом методе получения тонких пленок из гафната свинца ( PbHf03) пишет портал The Debrief. Как комментирует сообщение специалист по материаловедению ARL доктор Брендан Ханрахан (Dr. Brendan Hanrahan), «материалы, относящиеся к классу антисегнетоэлектриков, обладают значительной ценностью, поскольку позволяют эффективно генерировать мощные энергетические импульсы, необходимые для работы рейлганов или дефибрилляторов. Благодаря способности поглощать осциллирующие сигналы, они также применимы в качестве высокоэффективных электрических фильтров.
Чтобы получить ультратонкие пленки из гафната свинца, исследователи ARL применили метод атомно-слоевого осаждения. Похожим образом компании вроде Intel, Samsung и TSMC наносят антисегнетоэлектрик на основе циркония при производстве кремниевых заготовок («вафель») для чипов. Но армейским специалистам пришлось изрядно потрудиться, чтобы адаптировать методику для PbHf03. Подробное описание метода представлено в научной статье, которая опубликована в журнале APL Materials. Каковы будут следующие шаги лаборатории тоже пока непонятно — технология явно далека от промышленной реализации. Но учитывая потенциальную выгоду в виде гораздо более емких суперконденсаторов и надежных микроэлектронных компонентов, работы останавливаться точно не будут.
Интересно, что к этим результатам американских ученых в какой-то мере способствовали исследования, проведенные российскими коллегами. Хотя гафнат свинца известен с середины XX века, его антисегнетоэлектрические свойства были подтверждены лишь в 2019 году. Важную работу выполнил коллектив физиков из Санкт-Петербургского политехнического университета. После этого исследования, использование PbHf03 в новых экспериментах оставалось вопросом времени.
Изначально ученые не уделяли особого внимания соединениям гафния, поскольку его получение затруднено. Несмотря на то, что он содержится в тех же рудах, что и цирконий, его извлечение оказалось сложной задачей. Лишь к началу 2000-х годов объемы мировой добычи гафния достигли уровня, позволяющего снизить цены на этот редкий металл и обеспечить его наличие как для промышленных нужд, так и для лабораторных исследований. В последнее время открывается все больше интересных деталей о гафнии и его соединениях. Антисегнетоэлектрические свойства, вероятно, — не последнее удивительное открытие, которое предстоит сделать исследователям.
Антисегнетоэлектрики представляют собой материалы, демонстрирующие ориентацию электрических дипольных моментов соседних элементарных ячеек кристаллической решетки в зеркальном направлении при определенных условиях. Это происходит из-за того, что под воздействием электрического поля катионы металлов и анионы кислорода каждой ячейки смещаются друг относительно друга в противоположные стороны. По сути, подобную ориентацию можно представить как стопку миниатюрных батареек, расположенных друг на друге с чередованием полюсов. Под действием электрического поля антисегнетоэлектрик поляризуется, а с увеличением энергии переходит в сегнетоэлектрическое состояние. Этот эффект перспективен для накопления заряда и регулирования электрического тока.