St. Louis’deki Washington Üniversitesi’ndeki McKelvey Mühendislik Okulu’ndan bir grup araştırmacı, çalışan ferroelektrik kapasitörleri keşfetti. 2D ve 3D yapıların bir kombinasyonunu kullanan bu keşif, bu bulunması zor ve gelecek vaat eden elektrik depolama çözümünün gerçek dünyadaki uygulamalarına yol açabilir.
Nano güç santralleri yeni bir dönüşüm başlatabilir
Elektrostatik kapasitörler, akıllı telefonlardan dizüstü bilgisayarlara, tıbbi ve endüstriyel ekipmanlara kadar modern cihazlarda enerji depolama ve güç açısından kritik öneme sahip. Ferroelektrik malzemelerden yapılanlar uzun süredir kapasitörlerin verimliliğini önemli ölçüde artırmak için araştırılıyor. Ancak uzun süredir teknik sorunlarla boğuşuyorlar.
Nano güç santralleri kapsamında ferroelektrik kapasitörler, özelliklerinden dolayı önemli miktarda enerji kaybına uğrar ve bu da yüksek enerji depolama kapasitesine ulaşmayı zorlaştırıyor. Bu amaçla McKelvey’de makine mühendisliği yardımcı doçenti olan Sang-Hoon Bae, bu sınırlamaların üstesinden gelmenin bir yolunu bulmaya çalıştı. Science’ın 18 Nisan tarihli yayınında yayınlanan yeni bir çalışmada Bae ve ekibi, 2 boyutlu malzemeler kullanarak ferroelektrik kapasitörlerin gevşeme süresini kontrol etmek için bir yöntem önerdi. Gevşeme süresi, yükün dağılmasının veya azalmasının ne kadar sürdüğünü açıklayan bir iç malzeme özelliğini ifade ediyor.
Yöntemleri, 2D ve 3D malzemeleri atomik olarak ince katmanlar halinde istifleyerek, her katman arasında hassas bir şekilde tasarlanmış kimyasal ve kimyasal olmayan bağlarla ustaca birleştirdi. Yalnızca yaklaşık 30 nanometre kalınlığında bir yığın oluşturmak için iki dış 2B katman arasına ince bir 3B çekirdek yerleştirilir. Bu, ortalama bir virüs parçacığının yaklaşık onda biri boyutunda.
Bae: “Laboratuvarımda halihazırda yaptığımız 2 boyutlu malzemeleri içeren yeniliklere dayanarak yeni bir yapı oluşturduk. Başlangıçta enerji depolamaya odaklanmadık, ancak malzeme özelliklerini araştırırken, enerji depolamaya uygulanabileceğini fark ettiğimiz yeni bir fiziksel fenomen bulduk ve bu hem çok ilginç hem de potansiyel olarak çok daha faydalıydı” dedi.
Ekibin tasarladığı 2D/3D/2D heteroyapılar, yarı iletken malzemelerde enerji depolamaya yönelik optimum elektrik özelliklerini elde etmek amacıyla iletkenlik ve iletkenliksizlik arasındaki dengeyi sağlayacak şekilde hassasiyetle tasarlandı. Bu tasarım sayesinde Bae ve meslektaşları, piyasada bulunan ferroelektrik kapasitörlerden 19 kat daha yüksek bir enerji yoğunluğunun olduğunu bildirdi. Ayrıca yüzde 90’ın üzerinde benzeri görülmemiş bir verimlilik elde etti.
Bae: “Dielektrik gevşeme süresinin, malzeme yapısındaki çok küçük bir boşluk tarafından modüle edilebileceğini veya uyarılabileceğini bulduk. Bu yeni fiziksel fenomen daha önce görmediğimiz bir şey. Bae, dielektrik malzemeyi polarize olmayacak ve şarj özelliğini kaybetmeyecek şekilde manipüle etmemizi sağlıyor” diye ekledi. Bu keşfin akıllı telefonlar, dizüstü bilgisayarlar, tıbbi ekipman, araç elektroniği gibi çeşitli endüstriler ve özellikle elektrikli otomobiller için güç düzenlemesi ve altyapı geliştirme gibi çeşitli endüstriler için önemli sonuçları var. Hızlı ve verimli şarj ve deşarj yetenekleri bu teknolojiler için hayati öneme sahip.
