Лаборатория армии США научилась создавать антисегнетоэлектрический материал для батарей будущего

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. К сожалению, подробностей о своих ноу-хау они не сообщают. 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 кристаллическая решетка приобретает вид шахматной доски, клетки которой представляют собой антипараллельно ориентированные электрическими дипольными моментами ионы. Иными словами, такую ориентацию можно описать, как стопку 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.