Les condensateurs électrostatiques, composants essentiels de l’électronique moderne, sont au cœur d’une étude révolutionnaire menée par une équipe de chercheurs de l’Université de Washington à St. Louis et du MIT.
Les matériaux ferroélectriques utilisés dans les condensateurs présentent une perte d’énergie significative en raison de leurs propriétés intrinsèques, ce qui limite leur capacité de stockage d’énergie. Sang-Hoon Bae, professeur assistant en génie mécanique et science des matériaux à l’Université de Washington à St. Louis, et son équipe ont relevé ce défi en introduisant une approche innovante basée sur les matériaux 2D pour contrôler le temps de relaxation des condensateurs ferroélectriques.
En collaboration avec Rohan Mishra, Chuan Wang et Frances Ross, les chercheurs ont développé des hétérostructures 2D/3D/2D capables de minimiser les pertes d’énergie tout en préservant les propriétés avantageuses des matériaux ferroélectriques 3D. L’approche consiste à intercaler des couches de matériaux 2D et 3D d’épaisseur atomique, reliées par des liaisons chimiques et non chimiques soigneusement conçues.
Initialement, l’équipe de Sang-Hoon Bae ne se concentrait pas sur le stockage d’énergie. C’est au cours de leur exploration des propriétés des matériaux qu’ils ont découvert un nouveau phénomène physique applicable au stockage d’énergie. Les hétérostructures 2D/3D/2D ont été finement conçues pour se situer dans la zone optimale entre conductivité et non-conductivité, où les matériaux semi-conducteurs présentent des propriétés électriques idéales pour le stockage d’énergie.
Grâce à cette conception, les chercheurs ont obtenu une densité d’énergie jusqu’à 19 fois supérieure à celle des condensateurs ferroélectriques disponibles sur le marché, avec une efficacité de plus de 90%, ce qui est également sans précédent.
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La structure hétérogène constitue dans ce cas précis un nouveau matériau électronique fondamental. Bien que non encore optimale à 100%, elle surpasse déjà les performances des autres laboratoires. Les prochaines étapes consisteront à améliorer encore cette structure pour répondre aux besoins de charge et de décharge ultra-rapides et de très hautes densités d’énergie dans les condensateurs, sans perte de capacité de stockage au fil des cycles de charge.
Ces avancées sont particulièrement cruciales dans les secteurs nécessitant des solutions robustes de gestion de l’énergie, tels que les véhicules électriques et le développement des infrastructures. Le matériau hétérostructuré développé par Sang-Hoon Bae et son équipe ouvre la voie à des dispositifs électroniques haute performance, englobant l’électronique de puissance, les systèmes de communication sans fil à haute fréquence et les puces de circuits intégrés, essentiels à la transition vers les composants électroniques de nouvelle génération.
Article : « High energy density in artificial heterostructures through relaxation time modulation » – DOI: 10.1126/science.adl2835
