Pour fabriquer le nouveau matériel, le film mince est d'abord déposé via un procédé de dépôt par laser pulsé dans cette chambre. Le « panache » brillant que vous voyez est le laser frappant la cible et déposant le matériau. Crédit :Lane Martin.
Les condensateurs qui stockent et libèrent rapidement de l'énergie électrique sont des composants clés des systèmes électroniques et électriques modernes. Cependant, les plus couramment utilisés ont des densités d'énergie faibles par rapport à d'autres systèmes de stockage comme les batteries ou les piles à combustible, qui à son tour ne peut pas se décharger et se recharger rapidement sans subir de dommages.
Maintenant, comme indiqué dans le journal Science , les chercheurs ont trouvé le meilleur des deux mondes. En introduisant des défauts isolés dans un type de film mince disponible dans le commerce dans une étape de post-traitement simple, une équipe dirigée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Department of Energy (DOE) a démontré qu'un matériau commun peut être transformé en un matériau de stockage d'énergie très performant.
La recherche est soutenue par le Materials Project, une base de données en ligne en libre accès qui fournit virtuellement la plus grande collection de propriétés de matériaux aux scientifiques du monde entier. Aujourd'hui, le projet Matériaux combine à la fois des efforts informatiques et expérimentaux pour, entre autres objectifs, accélérer la conception de nouveaux matériaux fonctionnels. Cela comprend la compréhension des moyens de manipuler les matériaux connus de manière à améliorer leurs performances.
Les exigences croissantes en matière de réduction des coûts et de miniaturisation des dispositifs ont poussé à développer des condensateurs à haute densité énergétique. Les condensateurs sont couramment utilisés dans les appareils électroniques pour maintenir l'alimentation électrique pendant la charge d'une batterie. Le nouveau matériau développé au Berkeley Lab pourrait à terme combiner l'efficacité, fiabilité, et la robustesse des condensateurs avec les capacités de stockage d'énergie des batteries à plus grande échelle. Les applications incluent les appareils électroniques personnels, technologie portable, et les systèmes audio de voiture.
Le matériau est basé sur un soi-disant « ferroélectrique relaxant, " qui est un matériau céramique qui subit une réponse mécanique ou électronique rapide à un champ électrique externe et est couramment utilisé comme condensateur dans des applications telles que les ultrasons, capteurs de pression, et générateurs de tension.
Le champ appliqué entraîne des changements dans l'orientation des électrons dans le matériau. À la fois, le champ entraîne une modification de l'énergie stockée dans les matériaux, ce qui en fait un bon candidat pour une utilisation au-delà d'un condensateur à petite échelle. Le problème à résoudre est de savoir comment optimiser le ferroélectrique afin qu'il puisse être chargé à des tensions élevées et déchargé très rapidement - des milliards de fois ou plus - sans subir de dommages qui le rendraient impropre à une utilisation à long terme dans des applications telles que les ordinateurs et les véhicules. .
Des chercheurs du laboratoire de Lane Martin, chercheur à la faculté des sciences des matériaux (MSD) du Berkeley Lab et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Californie, Berkeley, accompli cela en introduisant des défauts locaux qui lui ont permis de résister à des tensions plus importantes.
"Vous avez probablement déjà expérimenté des ferroélectriques relaxants sur un gril à gaz. Le bouton qui allume le gril actionne un marteau à ressort qui fait claquer un cristal piézoélectrique, qui est un type de relaxant, et crée une tension qui enflamme le gaz, " a expliqué Martin. " Nous avons démontré qu'ils peuvent également être transformés en certains des meilleurs matériaux pour les applications de stockage d'énergie. "
Placer un matériau ferroélectrique entre deux électrodes et augmenter le champ électrique provoque une accumulation de charge. Lors de la décharge, la quantité d'énergie disponible dépend de la force d'orientation des électrons du matériau, ou se polariser, en réponse au champ électrique. Cependant, la plupart de ces matériaux ne peuvent généralement pas résister à un champ électrique important avant que le matériau ne tombe en panne. Le défi fondamental, donc, est de trouver un moyen d'augmenter le champ électrique maximum possible sans sacrifier la polarisation.
Les chercheurs se sont tournés vers une approche qu'ils avaient précédemment développée pour « désactiver » la conductivité dans un matériau. En bombardant un film mince avec des particules chargées à haute énergie appelées ions, ils ont pu introduire des défauts isolés. Les défauts piègent les électrons du matériau, empêchant leur mouvement et diminuant la conductivité du film par des ordres de grandeur.
« En ferroélectrique, qui sont censés être des isolants, avoir une charge qui fuit à travers eux est un problème majeur. En bombardant les ferroélectriques avec des faisceaux d'ions de haute énergie, nous savions que nous pouvions en faire de meilleurs isolants, " a déclaré Jieun Kim, chercheur au doctorat dans le groupe de Martin et auteur principal de l'article. "Nous avons alors demandé, pourrions-nous utiliser cette même approche pour faire en sorte qu'un ferroélectrique relaxeur résiste à des tensions et des champs électriques plus importants avant qu'il ne tombe en panne de manière catastrophique ? »
La réponse s'est avérée être « oui ». Kim a d'abord fabriqué des films minces d'un ferroélectrique relaxeur prototype appelé niobite de plomb et titanate de plomb. Puis, il a ciblé les films avec des ions d'hélium de haute énergie à l'installation d'analyse de faisceaux ioniques exploitée par la division de technologie des accélérateurs et de physique appliquée (ATAP) du laboratoire de Berkeley. Les ions d'hélium ont renversé les ions cibles de leurs sites pour créer des défauts ponctuels. Les mesures ont montré que le film bombardé d'ions avait plus de deux fois la densité de stockage d'énergie des valeurs précédemment rapportées et une efficacité 50 pour cent plus élevée.
« À l'origine, nous nous attendions à ce que les effets proviennent principalement de la réduction des fuites avec des défauts ponctuels isolés. Cependant, nous avons réalisé que le changement dans la relation polarisation-champ électrique dû à certains de ces défauts était tout aussi important, " a déclaré Martin. " Ce changement signifie qu'il faut des tensions appliquées de plus en plus grandes pour créer le changement maximal de polarisation. " Le résultat suggère que le bombardement ionique peut aider à surmonter le compromis entre être hautement polarisable et facilement cassable.
La même approche par faisceau d'ions pourrait également améliorer d'autres matériaux diélectriques pour améliorer le stockage d'énergie, et fournit aux chercheurs un outil pour réparer les problèmes dans les matériaux déjà synthétisés. "Ce serait formidable de voir des gens utiliser ces approches par faisceau d'ions pour" guérir "les matériaux dans les appareils après coup si leur processus de synthèse ou de production ne se passait pas parfaitement, ", a déclaré Kim.
