Диэлектрик, который проводит ток: российские физики перевернули конструкцию суперконденсатора

Международная научная группа, в которую вошли специалисты из Объединенного института ядерных исследований в Дубне, Уральского федерального университета, а также коллеги из Казахстана и Азербайджана, создала на основе диоксида циркония образцы миниатюрных конденсаторов с колоссальной емкостью. Устройства работают на сверхнизком напряжении, используют новые физические принципы и подходят для сверхэкономичной электроники. Описание разработки опубликовано в Advanced Journal of Chemistry.

Как пояснил руководитель лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы» УрФУ Анатолий Зацепин, сегодня твердотельные ионные конденсаторы крайне востребованы в микро- и наноэлектронике с минимальным энергопотреблением — от компьютеров с субвольтовыми процессорами и смартфонов до аэрокосмической отрасли и медицинской техники. Однако разработчики повсеместно сталкиваются с эффектом туннельных токов утечки: при уменьшении расстояния между обкладками ниже определенного предела наступает пробой и прибор выходит из строя.

Российские ученые решили эту проблему нестандартным способом — они не стали бороться с туннельным эффектом, а использовали родственное явление. Взяв за основу туннельный эффект локализации электронов вблизи заряженной поверхности ионного диэлектрика, они фактически перевернули классический суперконденсатор. Как объяснил руководитель сектора ядерно-физического материаловедения и ионно-имплантационных нанотехнологий ОИЯИ Александр Дорошкевич, в их конструкции углеродный электрод, хорошо проводящий ток, заменили на диэлектрик — материал, который обычно ток не пропускает. Но благодаря квантовому эффекту диэлектрик начал проводить ток, когда к нему притягиваются ионы электролита при смене напряжения внешним полем.

В результате получился нанопорошок с особой структурой. За счет того, что поверхность частиц значительно больше, чем у обычного твердого тела, материал стал крайне чувствительным и способен регистрировать отдельные молекулы, поэтому его можно рассматривать не только как накопитель энергии, но и как основу для датчиков. Пока созданы только лабораторные образцы, однако ученые планируют развивать работу в направлении бионаноинженерии, радиационных и критических технологий. Для этого они будут искать партнеров и дополнительное финансирование.

Наноматериалы на основе диоксида циркония обладают признаками smart-материалов и перспективны для дальнейших исследований. Команда уже ведет совместную работу с коллегами из Узбекистана и Казахстана по созданию элементов так называемой гомогенной электроники, способной работать в условиях сильных нейтронных полей и высоких температур.