Вопрос разработки способов запасания электричества в XXI веке встал невероятно остро — ученые со всего мира ломают голову над тем, как сделать батареи более емкими. Армейская исследовательская лаборатория США добилась успехов в создании тончайших антисегнетоэлектрических пленок из гафната свинца. Это сложное в получении соединение обладает большим потенциалом к применению в аккумуляторах и электрических вентилях.
Экспериментальный военный рельсотрон (рейлган) ВМС США / ©U.S. Navy, John F. Williams, DVIDS
Обновлено 20 мая: добавлена ссылка на публикацию в рецензируемом журнале APL Materials и откорректирован последний абзац.
Новостью о многообещающем открытии Армейская исследовательская лаборатория (ARL) поделилась в недавнем пресс-релизе (ссылка может быть недоступна из России). Также о новом методе получения тонких пленок из гафната свинца (PbHf03) пишет портал The Debrief. Как комментирует сообщение специалист по материаловедению ARL доктор Брендан Ханрахан (Dr. Brendan Hanrahan), «материалы класса антисегнетоэлектриков чрезвычайно полезны, когда вам нужен хороший способ получить мощный импульс энергии для рейлгана или дефибриллятора». Кроме того, за счет своего отличного свойства поглощать осциллирующие сигналы, из них получаются отличные электрические фильтры.
Чтобы создать тончайшие пленки из гафната свинца, ученые ARL применили метод атомно-слоевого осаждения. Похожим образом компании вроде Intel, Samsung и TSMC наносят антисегнетоэлектрик на основе циркония при производстве кремниевых заготовок («вафель») для чипов. Но армейским специалистам пришлось изрядно потрудиться, чтобы адаптировать методику для PbHf03. Подробности метода описаны в научной статье, которая опубликована в журнале APL Materials. Каковы будут следующие шаги лаборатории тоже пока непонятно — технология явно далека от промышленной реализации. Но учитывая потенциальную выгоду в виде гораздо более емких суперконденсаторов и надежных микроэлектронных компонентов, работы останавливаться точно не будут.
Что самое интересное, в какой-то степени американских ученых подтолкнула к таким результатам работа российских коллег. Несмотря на то, что гафнат свинца известен с середины XX века, его антисегнетоэлектрические свойства подтвердились только в 2019 году. Важную работу выполнил коллектив физиков из Санкт-Петербургского политехнического университета. После этого исследования, использование PbHf03 в новых экспериментах оставалось вопросом времени.
На соединения гафния ученые долгое время не обращали пристального внимания из-за его труднодоступности. Пусть он и находится в природе в тех же рудах, что и цирконий, добывать его оказалось довольно сложно. Только к началу 2000-х годов мировая добыча гафния поднялась достаточно, чтобы и цены на этот редкий металл упали, и его количества было достаточно не только промышленности, но и лабораториям. В последние годы выясняется все больше любопытных подробностей про гафний и его соединения. И, судя по всему антисегнетоэлектрические свойства — далеко не последний сюрприз, который ждет исследователей.
Антисегнетоэлектрики — это материалы, в которых при определенных условиях электрический дипольный момент соседних элементарных ячеек кристаллической решетки ориентирован зеркально. Происходит это когда под действием электрического поля катионы металлов и анионы кислорода каждой ячейки отклоняются друг от друга в противоположные стороны. Иными словами, такую ориентацию можно описать, как стопку очень маленьких батареек, сложенных поочередно разными полюсами в одну сторону. Если к антисегнетоэлектрическому материалу приложить электрическое поле, он поляризуется, а при возрастании энергии переходит в сегнетоэлектрическое состояние. Этот эффект можно использовать для накопления заряда и управления протекающим током.
