Sang-Hoon Bae, professeur adjoint de génie mécanique et de science des matériaux à la McKelvey School of Engineering de l'Université Washington de St. Louis, a abordé ce défi de longue date lié au déploiement de matériaux ferroélectriques pour les applications de stockage d'énergie.

Dans une étude publiée le 18 avril dans Science , Bae et ses collaborateurs, dont Rohan Mishra, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux, et Chuan Wang, professeur agrégé de génie électrique et de systèmes, tous deux à WashU, et Frances Ross, professeur TDK en science et ingénierie des matériaux au MIT, a introduit une approche pour contrôler le temps de relaxation (une propriété interne du matériau qui décrit le temps nécessaire à la charge pour se dissiper ou se désintégrer) des condensateurs ferroélectriques à l'aide de matériaux 2D.

En collaboration avec Bae, l'étudiant au doctorat Justin S. Kim et le chercheur postdoctoral Sangmoon Han ont développé de nouvelles hétérostructures 2D/3D/2D qui peuvent minimiser la perte d'énergie tout en préservant les propriétés matérielles avantageuses des matériaux ferroélectriques 3D.

Leur approche consiste à regrouper des matériaux 2D et 3D en couches atomiquement minces avec des liaisons chimiques et non chimiques soigneusement conçues entre chaque couche. Un noyau 3D très fin est inséré entre deux couches externes 2D pour créer un empilement d’environ 30 nanomètres d’épaisseur seulement. Cela représente environ un dixième de la taille d'une particule virale moyenne.

"Nous avons créé une nouvelle structure basée sur les innovations que nous avons déjà réalisées dans mon laboratoire impliquant des matériaux 2D", a déclaré Bae. "Au départ, nous ne nous concentrions pas sur le stockage d'énergie, mais au cours de notre exploration des propriétés des matériaux, nous avons découvert un nouveau phénomène physique dont nous avons réalisé qu'il pouvait être appliqué au stockage d'énergie, et qui était à la fois très intéressant et potentiellement beaucoup plus utile."

Les hétérostructures 2D/3D/2D sont finement conçues pour se situer à mi-chemin entre la conductivité et la non-conductivité, là où les matériaux semi-conducteurs ont des propriétés électriques optimales pour le stockage d'énergie. Avec cette conception, Bae et ses collaborateurs ont signalé une densité d'énergie jusqu'à 19 fois supérieure à celle des condensateurs ferroélectriques disponibles dans le commerce, et ils ont atteint un rendement supérieur à 90 %, ce qui est également sans précédent.

"Nous avons découvert que le temps de relaxation diélectrique peut être modulé ou induit par un très petit espace dans la structure du matériau", a expliqué Bae. "Ce nouveau phénomène physique est quelque chose que nous n'avions jamais vu auparavant. Il nous permet de manipuler un matériau diélectrique de telle manière qu'il ne se polarise pas et ne perde pas sa capacité de charge."

Alors que le monde est confronté à l'impératif de transition vers des composants électroniques de nouvelle génération, le nouveau matériau hétérostructuré de Bae ouvre la voie à des dispositifs électroniques hautes performances, englobant l'électronique haute puissance, les systèmes de communication sans fil haute fréquence et les puces de circuits intégrés. Ces avancées sont particulièrement cruciales dans les secteurs nécessitant des solutions robustes de gestion de l'énergie, tels que les véhicules électriques et le développement des infrastructures.

"Fondamentalement, cette structure que nous avons développée est un nouveau matériau électronique", a déclaré Bae.

"Nous ne sommes pas encore optimaux à 100 %, mais nous surpassons déjà ce que font les autres laboratoires. Nos prochaines étapes consisteront à rendre cette structure matérielle encore meilleure, afin que nous puissions répondre aux besoins de charge et de décharge ultrarapides et de très haute énergie. densités dans les condensateurs. Nous devons être capables de le faire sans perdre de capacité de stockage à cause de charges répétées pour voir ce matériau largement utilisé dans les grands appareils électroniques, comme les véhicules électriques, et d'autres technologies vertes en développement. "