コンデンサの世界におけるブレークスルー: 超高性能材料が新しいエレクトロニクスへの道を切り開く

セントルイスのワシントン大学の科学者は、静電エネルギーを蓄える能力を強化する新しい材料を開発しました。この材料は、独立した 2D および 3D 膜で作られた人工ヘテロ構造で構成されており、市販のコンデンサよりも最大 19 倍高いエネルギー密度を持っています。これにより、非常に革新的なコンデンサを構築し、エレクトロニクスの動作方法を変えることが可能になります。研究の責任者は、この新しい物質をScienceに説明した Sang-Hoon Bae 教授です。

静電コンデンサは現代のエレクトロニクスにおいて重要な役割を果たしています。非常に高速な充電と放電が可能で、スマートフォン、ラップトップ、ルーターから医療機器、自動車エレクトロニクス、産業機器に至るまで、さまざまなデバイスにエネルギーと蓄電を提供します。それらの機能は、一方では電気信号をフィルタリングして安定させて外乱を排除することであり、もう一方では必要に応じて制御されたインパルスを放出するためにエネルギーを蓄積することです。この 2 番目の点により、コンデンサに蓄積できる電力が重要になります。

しかし、コンデンサに使用される強誘電体材料は、その材料特性によりエネルギー損失が大きく、高いエネルギー貯蔵容量を提供することが困難です。

Bae 氏と、WashU の機械工学および材料科学の准教授である Rohan Mishra 氏、電気およびシステム工学の准教授である Chuan Wang 氏、および MIT の材料科学および工学の TDK 教授である Frances Ross 氏を含む彼の共同研究者は、次のことを紹介しました。 2D 材料を使用して、強誘電体コンデンサの緩和時間 (電荷が消散または減衰するのにかかる時間を表す内部材料特性) を制御するアプローチ。

研究チームは、3D 強誘電体材料の有利な材料特性を維持しながら、エネルギー損失を最小限に抑えることができる新しい 2D/3D/2D ヘテロ構造を開発しました。彼らのアプローチは、2D 材料と 3D 材料を原子的に薄い層に巧みにブレンドし、各層間の化学結合と非化学結合を慎重に考え抜いています。非常に薄い 3D コアが 2 つの外側 2D 層の間に挟まれ、厚さわずか約 30 ナノメートルのスタックが作成されます。これは平均的なウイルス粒子の約 10 分の 1 です。実際、サンドイッチは二次元と三次元の原子構造が交互に並ぶ材料で作られており、そのエネルギー保存の性質は独特です。

「私たちは、2D 材料を使用して私の研究室ですでに行ったイノベーションに基づいて、新しい構造を作成しました」と Bae 氏は言います。 「当初、私たちはエネルギー貯蔵に焦点を当てていませんでしたが、材料の特性を調査しているときに、エネルギー貯蔵に適用できる可能性のある新しい物理現象を発見しました。それは非常に興味深く、潜在的にはるかに役立つものでした。」

2D/3D/2D ヘテロ構造は、半導体材料がエネルギー貯蔵に最適な電気特性を有する導電性と非導電性のバランス点に位置するように精巧に作られています。この設計により、Bae 氏と彼の共同研究者らは、市販の強誘電体コンデンサよりも最大 19 倍高いエネルギー密度を報告し、これも前例のない 90% 以上の効率を達成しました。

「基本的に、私たちが開発した構造は新しい電子材料です」とBae氏は語った。 「私たちはまだ 100% 最適ではありませんが、すでに他のラボを上回るパフォーマンスを示しています。私たちの次のステップは、コンデンサの超高速充放電と非常に高いエネルギー密度のニーズを満たすことができるように、この材料の構造をさらに改良することです。この材料が電気自動車などの大型エレクトロニクスやその他の開発中のグリーンテクノロジーに広く使用されるためには、充電を繰り返してもストレージ容量を失わずにこれを実現できる必要があります。」

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「 コンデンサの世界におけるブレークスルー: 超高性能材料が新しいエレクトロニクスへの道を開く」という記事は、 Scenari Economyiからのものです。

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これは、Sun, 28 Apr 2024 07:00:09 +0000 の https://scenarieconomici.it/svolta-nel-mondo-dei-condensatori-materiali-super-performanti-aprono-la-strada-a-una-nuova-elettronica/ で Scenari Economici に公開された記事の自動翻訳です。