Oddaljena epitaksija tankih plasti Ag(Nb,Ta)O3 skozi grafen - Sinergijski pristop za izboljšanje zmogljivosti shranjevanja energije

Ena ključnih komponent za uresničitev čistih in pametnih energetskih tehnologij so visoko zmogljivi sistemi za shranjevanje energije (ES). Elektrostatični ES na osnovi dielektričnih kondenzatorjev optimalno omogočajo hitro polnjenje in praznjenje ter ultravisoko gostoto moči. Nelinearni dielektriki, zlasti antiferoelektriki (AFE) in relaksorski feroelektriki (RFE), so v ospredju raziskav elektrostatičnih ES. Kljub izjemnemu napredku, doseženemu na tem področju, se iščejo novi preboji. Ag(Nb,Ta)O3 (ANT) je bil v preteklosti obsežno raziskan kot pomemben material za razvoj nastavljivih mikrovalovnih naprav. V zadnjem času je ANT deležen velike mere pozornosti na področju raziskav materialov za ES zaradi svoje prilagodljivosti med AFE in RFE obnašanjem. Vrednosti gostote energije, dobljene za keramiko ANT, so primerljive z vrednostmi najsodobnejših sistemov na osnovi Pb. Medtem ko so raziskave o tankih filmih ANT še v povojih, nedavna poročila kažejo, da filmi obetajo visoko obnovljivo gostoto energije (Wreco) in učinkovitost. Tanke plasti ponujajo dodatne prostostne stopnje, ki jih je mogoče uporabiti za načrtovanje lastnosti plasti. Med tehnikami za sintezo tankih plasti, je pulzno-lasersko nanašanje (PLD) uveljavljeno kot tehnika s številnimi nastavljivimi parametri, ki omogočajo prilagajanje in zlaganje plasti z atomsko natančnostjo. Medtem ko lahko napetosti zaradi vpliva substrata, odklenejo nove pojave, ki niso prisotni v volumskem materialu, lahko napetosti in zlasti vpetost na substrat škodita funkcionalnemu odzivu plasti. V predlaganem projektu bo razvit nov pristop, ki temelji na uvedbi 2D materiala na stik med substratom in plastjo. Pristop temelji na ideji, da 2D material spremeni mehanizem sproščanja napetosti na stiku med materialoma. Plast brez dislokacij bo imela večjo dielektrično prebojno trdnost (DBS). Izboljšan DBS izboljša zmogljivost ES in odklene možnost preučevanja materiala pri visokih električnih poljih, kar je še posebej pomembno za preučevanje faznih prehodov v materialih s kompleksnimi faznimi diagrami. DBS bo dodatno okrepljen z načrovanjem sestave, osredotočenim predvsem na preprečevanje izgube Ag, kjer bo izkoriščeno znanje, pridobljeno pri našem prejšnjem delu na sistemih na osnovi Pb. Splošni cilj projekta je preučiti sinergijske učinke napetosti in mehanizma sproščanja napetosti brez dislokacij za stabilizacijo želenih faz in doseganje koherentne rasti plasti z visokim DBS. V prvi fazi bodo tanke plasti ANT pripravljene na oksidnih substratih, da bi poglobili razumevanje učinkov epitaksialne napetosti na strukturne in električne lastnosti filmov. V drugi fazi bodo plasti dopirane z redkimi zemljami, ki zvišujejo strukturno heterogenost in inducirajo relaksorsko obnašanje, kar vodi do izboljšane učinkovitosti ES. V tretji fazi bo 2D material (grafen) vstavljen na stik med substratom in plastjo za izvedbo oddaljene epitaksije. Plasti s popolno odsotnostjo epitaksialne napetosti bodo pripravljene z van der Waalsovo sintezo na amorfnih substratih (prekritih z grafenom). Vzorci bodo analizirani z večstopenjsko analizo s kombiniranjem metod, občutljivih na napetosti v kristalni mreži, napake, kemične razporeditve in sestave, s tehnikami za lokalno kartiranje napetosti in električnih lastnosti. Dobljeni rezultati bodo povezani z makroskopskimi dielektričnimi in feroelektričnimi lastnostmi. Izračunane bodo vrednosti učinkovitosti Wreco in ES. Pričakuje se, da bo predlagani pristop vodil do heterostruktur z najsodobnejšo zmogljivostjo. Poleg tega, da služi kot platforma za preučevanje alternativnih mehanizmov sproščanja napetosti in odziva plasti, se lahko grafen uporablja kot sredstvo za integracijo funkcionalnih oksidov s Si. Zato bodo rezultati predlagane raziskave prispevali k utiranju poti za shranjevanje energije na čipu, kar bi spodbudilo razvoj interneta stvari, prilagodljive in nosljive elektronike, kjer so materiali brez Pb zelo zaželeni.