Физики сделали первый шаг к созданию безэлектролитных аккумуляторов
06.02.2017
Ученым Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого совместно с французскими, швейцарскими и польскими коллегами в ходе эксперимента удалось зафиксировать неожиданные явления в кристаллической решетке антисегнетоэлектрика цирконата свинца. Данное открытие — это первый шаг к созданию безэлектролитных аккумуляторов. Статья исследователей опубликована в журнале Scientific Reports.
В ходе эксперимента ученые стремились понять микроскопическую физику одного из наиболее сложных для теоретического описания антисегнетоэлектриков — цирконата свинца, модельного объекта данной группы. Кристаллы PbZrO₃ под воздействием внешних факторов могут иметь два типа упорядочения кристаллической решетки. От того, какой тип упорядочения будет выбран, и зависят функциональные свойства материала.
В ходе эксперимента научная группа проверяла, как на материал воздействует одновременное изменение температуры и давления. Для анализа кристаллической структуры использовали рассеяние синхротронного излучения на источнике ESRF (European Synchrotron Radiation Facility). Он необходим для обеспечения сильного потока фотонов, при помощи которого оказывается возможным изучение не только Брэгговского, но и диффузного рассеяния (рассеяния «между» Брэгговскими отражениями). Именно за счет диффузного рассеяния удалось обнаружить неизвестные процессы, происходящие в структуре кристалла.
Исследователи открыли две новые кристаллические фазы при высоких температурах и давлениях. Подобные условия приближены к тем, что могут быть созданы в перспективных энергонакопителях (аккумуляторах), запасание и отдача энергии в которых происходит за счет переключения между кристаллическими фазами различной структуры. Такие структурные переключения позволят высвобождать значительные объемы энергии в очень короткие промежутки времени, а отсутствие электролитов имеет очевидные преимущества с точки зрения простоты интеграции и уменьшения энергозапасающих элементов.
В ходе исследования ученым удалось зафиксировать весьма редко встречающееся явление в кристаллической структуре диэлектриков — образование несоразмерной фазы. Этот объект в науке достаточно сложно описать теоретически.
«Исходя из макроскопических измерений, у исследователей были подозрения, что существующие теории, описывающие кристаллическую решетку, требуют пересмотра. Возникали противоречия при изменении температуры и давления, в связи с чем мы хотели выяснить, какие процессы происходят на микроуровнях. Так, в ходе эксперимента мы впервые идентифицировали несоразмерную фазу в беспримесном антисегнетоэлектрике», — пояснил первый автор статьи, доцент кафедры физической электроники Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций СПбПУ Роман Бурковский.
«Мы доказали, что такие состояния в кристаллической решетке существуют, тем самым поставили задачу перед научным сообществом, решив которую, мы сделаем большой шаг в описании функциональных материалов», — продолжил Бурковский.
