Uudenlaisia kondensaattoreita ja keloja

(26.4.2024) Tietyissä kondensaattoreissa käytetyillä ferrosähköisillä materiaaleilla on materiaaliominaisuuksiensa vuoksi merkittäviä energiahäviötä, mikä vaikeuttaa korkean energian varastointikyvyn aikaansaamista.

Sang-Hoon Bae, apulaisprofessori Washingtonin St. Louisissa, on tutkinut tätä pitkäaikaista haastetta ferrosähköisten materiaalien suhteen energian varastointisovelluksissa.

Aiheen uusimmassa työssä esiteltiin uusi lähestymistapa 2D-materiaaleja käyttävien ferrosähköisten kondensaattoreiden materiaalin sisäiseen ominaisuuteen liittyvän relaksaatioajan hallintaan.

Tutkijat kehittivät 2D/3D/2D-heterorakenteita, jotka voivat minimoida energiahäviön säilyttäen samalla ferrosähköisten 3D-materiaalien edulliset ominaisuudet. Lähestymistapa kerrostelee 2D- ja 3D-materiaaleja atomin ohuissa kerroksissa, joissa jokaisen kerroksen välillä on huolellisesti suunniteltu kemiallinen ja ei-kemiallinen sidos. Erittäin ohut 3D-ydin sijoitetaan kahden ulomman 2D-kerroksen väliin vain noin 30 nanometrin paksuisen pinon luomiseksi.

Näin kootut 2D/3D/2D-heterorakenteet on sovitettu johtavuuden ja johtamattomuuden väliin, jolloin puolijohtavilla materiaaleilla on optimaaliset sähköiset ominaisuudet energian varastointia ajatellen.

Tällä suunnitelmalla tutkijat saavuttivat jopa 19 kertaa korkeamman energiatiheyden kuin kaupallisesti saatavilla olevat ferrosähköiset kondensaattorit, ja he saavuttivat yli 90 %:n hyötysuhteen, mikä on myös ennennäkemätöntä.

"Tutkija huomasivat, että dielektristä relaksaatioaikaa voidaan moduloida tai indusoida materiaalirakenteessa olevalla hyvin pienellä raolla. Kyseessä on uusi fysikaalinen ilmiö, jonka avulla voidaan hallita dielektristä materiaalia siten, että se ei polarisoidu ja menetä varauskykyä."

"Periaatteessa tämä kehittämämme rakenne on uusi elektroninen materiaali", Bae sanoo yliopistonsa tiedotteessa.

Professori Junqiang Wangin tiimi Kiinan tiedeakatemian Ningbo Institute of Materials Technology and Engineeringista (NIMTE) on kehittänyt amorfisiin seoksiin perustuvan mini-induktorin, jolla saavutetaan sekä erinomainen joustavuus että korkea induktanssi.

Perinteiset kelat valmistetaan pääosin ei-magneettisista materiaaleista, mikä väistämättä aiheuttaa magneettisia vuotoja ja sitä kautta vähentää induktanssitiheyttä.

Tämän ongelman voittamiseksi tutkijat käyttivät kelan materiaalina Fe-pohjaisia pehmeitä magneettisia amorfisia seoksia. Verrattuna perinteisiin induktoriin uusi mini-induktori vähentää merkittävästi magneettivuodon alle 10 -4 Teslaan, mikä minimoi huomattavasti elektronisten komponenttien välisiä häiriöitä.

Amorfisten metalliseosten suuren läpäisevyyden ansiosta laitteen induktanssitiheys kasvaa arvoon 280-390 nH/mm2 , mikä on noin kymmenen kertaa suurempi kuin perinteisillä tasomaisilla induktoreilla.

Aiheesta aiemmin:

Staattinen negatiivinen kondensaattori

Ionitekniikkaa kondensaattoreihin