Intégrer des matériaux 2D et 3D pour réaliser des condensateurs à haute densité d'énergie

Les condensateurs électrostatiques capables de stocker et de libérer ultra rapidement de l'énergie électrique ont un large éventail d'applications, que ce soit dans l’électronique pour les véhicules électriques, le stockage des énergies renouvelables, le spatial, ou encore l’électronique portable. Mais leurs performances sont limitées par la faible polarisation maximaleLa polarisation est une redistribution des électrons dans le matériau sous l'effet d'un champ électrique. des matériaux diélectriques utilisés. Des matériaux ferroélectriques, comme HfO₂, ZrO₂ ou BaTiO₃ peuvent atteindre de plus fortes polarisations, mais ils ont un autre inconvénient : une polarisation rémanente qui limite la restitution de l'énergie électrique stockée. Des méthodes existent pour réduire cette polarisation rémanente, mais elles ont aussi pour conséquence... de faire chuter la polarisation maximale du matériau.

Afin de résoudre ce dilemme, une équipe de recherche internationale comprenant des chercheurs du laboratoire GeorgiaTech-CNRS (CNRS/Georgia Institute of Technology/GeorgiaTech Europe) – le professeur Abdallah Ougazzaden, le Dr. Suresh Sundaram et le Dr. Phuong Vuang – propose une stratégie novatrice d'intégration de matériaux 2D et 3D. GeorgiaTech-CNRS, un laboratoire de recherche internationale du CNRS, dispose d'une forte expertise dans les matériaux 2D, et plus particulièrement sur le nitrure de bore hexagonal (2D-hBN). Les matériaux 2D sont constitués de monocouches atomiques en faible interaction entre elles, et que l'on peut facilement détacher.

La nouvelle méthodologie vise à contrôler le temps de relaxationLa relaxation est le retour à l'équilibre du matériau polarisé. du matériau ferroélectrique polarisé, sans modifier sa structure, afin de ne pas nuire à sa polarisation maximale. La solution proposée par les scientifiques consiste d'abord à fabriquer une membrane monocristaline de BaTiO₃ de 30 nanomètres d'épaisseur. Un matériau 2D est ensuite déposé de chaque côté du matériau ferroélectrique. Plusieurs combinaisons de matériaux 2D ont été testées, en utilisant le graphène, MoS₂ et h-BN. Ces structures hétérogènes, en jouant sur les différences de propriétés électriques entre la membrane ferroélectrique et les matériaux 2D, permettent effectivement de supprimer la polarisation permanente tout en préservant la polarisation maximale du matériau. Le large panel de matériaux 2D disponibles – il en existe aujourd'hui des dizaines – ouvre ainsi la voie à la conception de condensateurs performants pour le stockage et la restitution d'énergie.

Références
High energy density in artificial heterostructures through relaxation time modulation.
Sangmoon Han, Justin S. Kim, Eugene Park, Yuan Meng, Zhihao Xu1, Alexandre C. Foucher, Gwan Yeong Jung, Ilpyo Roh, Sangho Lee, Sun Ok Kim, Ji-Yun Moon, Seung-Il Kim, Sanggeun Bae, Xinyuan Zhang, Bo-In Park, Seunghwan Seo, Yimeng Li, Heechang Shin, Kate Reidy, Anh Tuan Hoang, Suresh Sundaram, Phuong Vuong, Chansoo Kim,10, Junyi Zhao, Jinyeon Hwang, Chuan Wang, Hyungil Choi, Dong-Hwan Kim, Jimin Kwon, Jin-Hong Park, Abdallah Ougazzaden, Jae-Hyun Lee, Jong-Hyun Ahn, Jeehwan Kim, Rohan Mishra, Hyung-Seok Kim, Frances M. Ross, Sang-Hoon Bae.
Science, 19 avril 2024.
https://doi.org/10.1126/science.adl2835