Новая структура поверхности диоксида рутения, спрогнозированная учеными, позволяет объяснить механизм возникновения псевдоемкости на электродах в суперконденсаторах.

Исследование провели специалисты из Сколтеха и Ереванского государственного университета.

В условиях развития нанотехнологий миниатюризация электронных устройств до нанометровых масштабов обуславливает возрастающее воздействие поверхностных и квантовых эффектов на характеристики и долговечность всей системы. Поэтому понимание процессов, протекающих на границе раздела материалов, имеет первостепенное значение. На данный момент диоксид рутения RuO является наиболее исследованным и востребованным материалом для использования в электронике ₂.

Данный материал находит широкое применение в суперконденсаторах – конденсаторах, характеристики которых по емкости значительно превосходят показатели обычных конденсаторов при схожих размерах. Тем не менее, многие явления, наблюдаемые в суперконденсаторах, пока не получили достаточного изучения. В частности, причина возникновения псевдоемкости на поверхности катодов суперконденсаторов остается невыясненной.

Псевдоемкость – это эффект, характеризующийся накоплением заряда на поверхности электродов в результате электрохимических процессов. Чаще всего она связана с внедрением ионов водорода в структуру катодов. Хотя псевдоемкость и может быть зафиксирована в ходе экспериментов, причины ее появления до текущего исследования оставались невыясненными. Для изучения этого явления требуются современные методы компьютерного моделирования, позволяющие анализировать процессы на атомном уровне.

Значительное количество теоретических исследований было направлено на изучение кристаллографической поверхности (110) диоксида рутения, представляющей собой наиболее стабильную и перспективную структуру для применения в электронике.

«Нами было предсказано формирование новой термодинамически устойчивой атомной реконструкции поверхности (110) диоксида рутения. Данная реконструкция включает один четырехкоординированный атом рутения и четыре атома кислорода, причем два из них имеют двухкоординатное состояние и связаны с поверхностью, а два других – однокоординатное.

Подробное изучение устойчивости выявило, что новая реконструкция характеризуется более низкой поверхностной энергией по сравнению с ранее рассмотренными модификациями поверхности (110) и, вероятно, может сохраняться при обычных условиях», – отмечает Александр Квашнин, один из авторов исследования, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов Сколтеха под руководством профессора Артема Оганова.

Для сопоставления полученных данных с экспериментом было выполнено моделирование изображений, полученных с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Результаты показали, что экспериментальные изображения СТМ идентичны не только новой предсказанной реконструкции, но и изображениям ранее изученных модификаций поверхности (110)-RuO ₂. Исходя из результатов эксперимента, можно утверждать, что все проанализированные поверхности схожи и не поддаются дифференциации.

Изучение возникновения кажущейся емкости на поверхности осуществлялось посредством моделирования интеркаляции атомов водорода в реконструированную поверхность (110). Результаты продемонстрировали, что этот процесс энергетически более предпочтителен для предсказанной реконструкции по сравнению с исходной (110) поверхностью и другими ранее изученными изменениями поверхности (110).

Анализ данных об энергии новой поверхности, ее электрохимических характеристиках и результатах моделирования СТМ позволил исследователям установить причину возникновения псевдоемкости. Она обусловлена уникальной атомной структурой реконструированной поверхности (110) диоксида рутения, где протекают окислительно-восстановительные процессы.

Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.