Les condensateurs électrostatiques sont des composants essentiels dans de nombreux domaines, allant de l’électronique pour les véhicules électriques au stockage des énergies renouvelables, en passant par le spatial et l’électronique portable. Leurs performances sont toutefois limitées par les propriétés des matériaux diélectriques utilisés. Une équipe internationale, comprenant des chercheurs du laboratoire GeorgiaTech-CNRS, a développé une méthode innovante pour résoudre ce problème en combinant des matériaux 2D et 3D.
Les limites des matériaux diélectriques actuels
Les condensateurs électrostatiques sont confrontés à deux problèmes majeurs liés aux matériaux diélectriques utilisés. D’une part, les matériaux classiques ont une faible polarisation maximale, ce qui limite leur capacité à stocker de l’énergie. D’autre part, les matériaux ferroélectriques, comme HfO2, ZrO2 ou BaTiO3, qui peuvent atteindre de plus fortes polarisations, souffrent d’une polarisation rémanente qui réduit la restitution de l’énergie électrique stockée.
Les méthodes existantes pour réduire cette polarisation rémanente ont pour conséquence de diminuer la polarisation maximale du matériau, créant ainsi un dilemme pour les chercheurs.
Une stratégie novatrice combinant matériaux 2D et 3D
Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche internationale, comprenant le professeur Abdallah Ougazzaden, le Dr. Suresh Sundaram et le Dr. Phuong Vuang du laboratoire GeorgiaTech-CNRS, a proposé une stratégie innovante d’intégration de matériaux 2D et 3D. L’objectif est de contrôler le temps de relaxation du matériau ferroélectrique polarisé, sans modifier sa structure, afin de préserver sa polarisation maximale.
La solution consiste à fabriquer une membrane monocristaline de BaTiO3 de 30 nanomètres d’épaisseur, puis à déposer un matériau 2D de chaque côté du matériau ferroélectrique. Plusieurs combinaisons de matériaux 2D, comme le graphène, MoS2 et h-BN, ont été testées.
Des résultats prometteurs pour le stockage et la restitution d’énergie
Les structures hétérogènes ainsi créées, en exploitant les différences de propriétés électriques entre la membrane ferroélectrique et les matériaux 2D, permettent de supprimer la polarisation permanente tout en préservant la polarisation maximale du matériau.
Le large panel de matériaux 2D disponibles ouvre la voie à la conception de condensateurs performants pour le stockage et la restitution d’énergie. Ces résultats, obtenus grâce à une technique innovante d’intégration de matériaux 2D et 3D, ont été publiés dans la revue Science.
Légende illustration : L’intégration d’une nanomembrane de BaTiO3 (en vert) entre deux mono couches atomiques de h-BN (en bleu) donne un matériau doté d’une forte polarisation maximale, permettant le stockage d’énergie à haute densité, tout en éliminant le phénomène de polarisation rémanente qui nuit à la restitution de l’énergie. © Bae Lab
Références
High energy density in artificial heterostructures through relaxation time modulation. Science, 19 avril 2024. https://doi.org/10.1126/science.adl2835
