Ilustração esquemática de um sistema de computação de ponta baseado em eletrônica monolítica integrada em 3D e baseada em material 2D. O sistema empilha diferentes camadas funcionais, incluindo camadas de computação de IA, camadas de processamento de sinal e uma camada sensorial, e as integra em um processador de IA. Crédito:Sang-Hoon Bae, da Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01704-z Os capacitores eletrostáticos desempenham um papel crucial na eletrônica moderna. Eles permitem carregamento e descarregamento ultrarrápidos, fornecendo armazenamento de energia e energia para dispositivos que vão desde smartphones, laptops e roteadores até dispositivos médicos, eletrônicos automotivos e equipamentos industriais. No entanto, os materiais ferroelétricos utilizados nos capacitores apresentam perdas significativas de energia devido às suas propriedades materiais, dificultando o fornecimento de alta capacidade de armazenamento de energia.
Sang-Hoon Bae, professor assistente de engenharia mecânica e ciência de materiais na Escola de Engenharia McKelvey da Universidade de Washington em St. Louis, abordou esse desafio de longa data na implantação de materiais ferroelétricos para aplicações de armazenamento de energia.
Em um estudo publicado em 18 de abril na Science , Bae e seus colaboradores, incluindo Rohan Mishra, professor associado de engenharia mecânica e ciência de materiais, e Chuan Wang, professor associado de engenharia elétrica e de sistemas, ambos na WashU, e Frances Ross, professora TDK em Ciência e Engenharia de Materiais no MIT, introduziu uma abordagem para controlar o tempo de relaxamento - uma propriedade interna do material que descreve quanto tempo leva para a carga se dissipar ou decair - de capacitores ferroelétricos usando materiais 2D.
Trabalhando com Bae, o estudante de doutorado Justin S. Kim e o pesquisador de pós-doutorado Sangmoon Han desenvolveram novas heteroestruturas 2D/3D/2D que podem minimizar a perda de energia enquanto preservam as propriedades vantajosas dos materiais ferroelétricos 3D.
Sua abordagem imprensa materiais 2D e 3D em camadas atomicamente finas com ligações químicas e não químicas cuidadosamente projetadas entre cada camada. Um núcleo 3D muito fino é inserido entre duas camadas 2D externas para criar uma pilha com apenas cerca de 30 nanômetros de espessura. Isso é cerca de um décimo do tamanho médio de uma partícula de vírus.
“Criamos uma nova estrutura baseada nas inovações que já fizemos em meu laboratório envolvendo materiais 2D”, disse Bae. "Inicialmente, não estávamos focados no armazenamento de energia, mas durante a nossa exploração das propriedades dos materiais, descobrimos um novo fenómeno físico que percebemos que poderia ser aplicado ao armazenamento de energia, e que era ao mesmo tempo muito interessante e potencialmente muito mais útil."
As heteroestruturas 2D/3D/2D são cuidadosamente elaboradas para ficarem no ponto ideal entre condutividade e não condutividade, onde os materiais semicondutores têm propriedades elétricas ideais para armazenamento de energia. Com este projeto, Bae e seus colaboradores relataram uma densidade de energia até 19 vezes maior do que os capacitores ferroelétricos disponíveis comercialmente, e alcançaram uma eficiência superior a 90%, o que também é sem precedentes.
“Descobrimos que o tempo de relaxamento dielétrico pode ser modulado ou induzido por uma lacuna muito pequena na estrutura do material”, explicou Bae. "Esse novo fenômeno físico é algo que nunca tínhamos visto antes. Ele nos permite manipular o material dielétrico de forma que ele não polarize e perca capacidade de carga."
À medida que o mundo enfrenta o imperativo da transição para componentes eletrônicos de próxima geração, o novo material heteroestruturado de Bae abre caminho para dispositivos eletrônicos de alto desempenho, abrangendo eletrônicos de alta potência, sistemas de comunicação sem fio de alta frequência e chips de circuitos integrados. Estes avanços são particularmente cruciais em setores que exigem soluções robustas de gestão de energia, como veículos elétricos e desenvolvimento de infraestruturas.
“Fundamentalmente, esta estrutura que desenvolvemos é um novo material eletrônico”, disse Bae.
"Ainda não estamos 100% ideais, mas já estamos superando o desempenho de outros laboratórios. Nossos próximos passos serão tornar a estrutura deste material ainda melhor, para que possamos atender à necessidade de carga e descarga ultrarrápida e energia muito alta densidades em capacitores. Devemos ser capazes de fazer isso sem perder capacidade de armazenamento em cargas repetidas para ver esse material amplamente utilizado em grandes eletrônicos, como veículos elétricos e outras tecnologias verdes em desenvolvimento."
