Supercapacitori oxidici (pseudo-)binari feroelectrici sub formă de filme subțiri nanometrice pentru dispozitive electronice flexibile ultrarapide în regim pulsat (NanOx4EStor)


Project Director: Dr. Corneliu GHICA

Codul Proiectului: COFUND-M-ERANET-3-NanOx4Estor

Director de Proiect: Corneliu Ghica

Tipul proiectului: Internațional

Programul de încadrare al proiectului: M-ERA.NET 3 (co-fund)

Finanțator: Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării (UEFISCDI) și Comisia Europeană, ERA-NET Cofund

Contractor: Institutul National de Cercetare - Dezvoltare pentru Fizica Materialelor RA

Stadiu de implementare: In derulare

Data începerii: 28 iunie 2022

Data finalizării: 31 decembrie 2024

Consorțiu internațional:

  • Universidade do Minho, Portugalia (coordonator); Director de Proiect: José P. B. Silva
  • École Centrale de Lyon, Franța; Director de Proiect: Bertrand Vilquin

 

Rezumat

Tendința actuală de folosire cât mai eficientă a resurselor de energie regenerabilă determină o creștere a cererii pe piața supercapacitorilor dielectrici, elemente vitale pentru transformarea DC-AC a energiei electrice stocate, în special în domeniul sistemelor avansate de propulsie din industria auto și aeronautică. Spre deosebire de baterii, supercapacitorii dielectrici pot elibera energia stocată în fracțiuni de timp de ordinul microsecundelor generând pulsuri de putere. Materialele dielectrice selectate pentru fabricarea unor supercapacitori de înaltă performanță trebuie să îndeplinească o serie de cerințe privind proprietățile dielectrice, stabilitatea termică, densitatea de energie și eficiența proceselor de încărcare-descărcare. Capacitorii folosiți astăzi pe scară largă în invertoarele de tensiune pentru vehiculele electrice hibrid folosesc dielectric polimerici (e.g. BOPP) care necesită sisteme suplimentare de răcire în scopul menținerii temperaturii ambientale sub temperatura maximă de lucru a materialului polimeric. NanOx4Estor se concentrează pe crearea de supercapacitori bazați pe filme subțiri oxidice (pseudo-)binare, cu performanțe superioare privind densitatea de energie stocată și temperatura de lucru pentru aplicații în regim pulsat.

Obiectiv

Obiectivul major al proiectului NanOx4EStor este de a dezvolta tehnologii inovative și eficiente privind fabricarea de supercapacitori avansați bazați pe straturi subțiri oxidice (pseudo-)binare, obținute prin procese PVD, cu proprietăți feroelectrice și de stocare a energiei optimizate prin controlul (i) distorsiunilor structurale, (ii) interfețelor și (iii) a stratului mort de la interfața metal-dielectric.

Dr. Corneliu GHICA

Dr. Valentin Adrian MARALOIU

Dr. Aurel Mihai VLAICU

Dr. Ionel Florinel MERCIONIU

Drd. Marian Cosmin ISTRATE

Drd. Catalina Gabriela MIHALCEA

Drd. Cristian RADU

Fiz. Dana RADU

Ing. Stefan BULAT

 

Participarea INCDFM la proiectul M-ERA.NET NanOx4EStor este structurată pe 3 etape anuale corespunzătoare celor 3 ani calendaristici în perioada 28 iunie 2022 – 31 decembrie 2024.

Prima etapă a proiectului s-a derulat în perioada 28 iunie – 31 decembrie 2022, în cadrul a 5 activități de cercetare-dezvoltare, administrative și de diseminare, conform Planului de Realizare. Această etapă a fost dedicată explorării unor modele structurale feroelectrice pe bază de straturi subțiri de HZO și optimizării metodelor de preparare și caracterizare prin microscopie electronică analitică de înaltă rezoluție a probelor de straturi subțiri feroelectrice de HfxZr1-xO2 (x=0÷1). Au fost utilizate programe de modelare microstructurală atomică (VESTA, Crystal Kit) și de simulare de imagini de microscopie electronică la rezoluție atomică (xHREM, MacTempas) pentru a determina detaliile de contrast de fază ce trebuie urmărite în imaginile experimentale pentru a putea evidenția transformările de fază în cazul straturilor subțiri de HZO sub acțiunea stresului exercitat de substrat. Pe de alta parte, au fost analizate și optimizate două tehnici de preparare a lamelelor subțiri pentru investigații HRTEM. Prima metodă combină procedee de prelucrare micromecanică cu procesarea cu ioni de Ar+, în timp ce a doua metodă utilizează exclusiv fascicul ionic de Ga+ (FIB). Studiile microstructurale desfășurate in cadrul acestei etape au fost dedicate determinării influenței orientării cristaline a substratului asupra fazei cristaline dezvoltate într-un monostrat de ZrO2 ca urmare a stresului exercitat de substrat. Investigațiile HRTEM au demonstrat formarea fazei ZrO2 romboedrice ca urmare a stresului compresiv exercitat de substratul de (111)Nb:STO în planul interfeței, precum si modul de creștere quasi-epitaxial printr-un mecanism de tipul epitaxiei prin alinierea domeniilor (DME).

A doua etapă a proiectului s-a derulat în perioada 1 ianuarie – 31 decembrie 2023, în cadrul a 4 activități de cercetare-dezvoltare, administrative și de diseminare, conform Planului de Realizare. Contribuția la proiect a INCDFM în cadrul acestei etape a constat în obținerea de informații microstructurale și compoziționale la scară nanometrică și atomica prin tehnici complementare de microscopie electronică analitică prin transmisie privind multistraturile de ZrO2 și structurile multistrat ZrO2-dielectric. S-a urmărit  evidențierea influenței naturii și orientării cristaline a substratului precum și a condițiilor experimentale de depunere și postprocesare termică asupra fazei cristaline dezvoltate în depuneri multistrat pe bază de ZrO2. Analiza imaginilor de microscopie electronică la rezoluție atomică a fost asistată de tehnici procesare digitală prin filtrare în spațiul Fourier și de simulare de imagini HRTEM pornind de la modele structurale atomice. Prin investigațiile HRTEM am demonstrat faptul că natura și orientarea cristalină a substratului induce formarea de faze structurale polare în filmele ultrasubțiri de ZrO2, atât în depuneri monostrat cât și multistrat. Straturi subțiri epitaxiale de ZrO2 cu o compoziție structurală de la amestec de faze ortorombică și monoclinică până la faze pure, romboedrală sau ortorombică, au fost depuse prin tehnica pulverizării cu fascicul de ioni (IBSD) pe substrat de Nb:SrTiO3 in orientare [001], [011] și [111]. Creșterea epitaxială în cazul sistemelor cristaline cu diferențe de parametru de rețea mari a fost explicate cu ajutorul modelului coincidenței aproximative, cu formarea de domenii de creștere epitaxială cu dimensiuni variabile, separate de dislocații. De asemenea, am demonstrat faptul că prin optimizarea grosimii straturilor și a fluenței fasciculului laser, postprocesarea prin tratament laser pulsat poate fi utilizată pentru obținerea fazei ortorombice a ZrO2 în structuri multistrat incluzând un strat ultrasubțire (8 nm) de ZrO2, ceea ce reprezintă un element cheie în dezvoltarea de structuri de capacitori pentru stocare de energie și memorii compatibile cu tehnologia CMOS.

1. Ferroelectricity and negative piezoelectric coefficient in orthorhombic phase pure ZrO2 thin films, J.P.B. Silva, M.C. Istrate, M. Hellenbrand, A. Jan, M.T. Becker, J. Symonowicz, F.G. Figueiras, V. Lenzi, M.O. Hill, C. Ghica, K.N. Romanyuk, M.J.M. Gomes, G. Di Martino, L. Marques, J.L. MacManus-Driscoll, Applied Materials Today, 30, 101708 (2023)

2. Ferroelectric orthorhombic ZrO2 thin films achieved through nanosecond laser annealing, A. P. S. Crema, M. C. Istrate, A. Silva, V. Lenzi, L. Domingues, M. O. Hill, V. S. Teodorescu, C. Ghica, M. J. M. Gomes, M. Pereira, L. Marques, J. L. MacManus-Driscoll, J. P. B. Silva, Advanced Science, 10, 2207390 (2023)

3. High-Performance and Self-Powered Visible Light Photodetector using Multiple Coupled Synergetic Effects, J. Silva, E. Vieira, K. Gwozdz, N. Silva, A. Kaim, C. Istrate, C. Ghica, J. Correia, M. Pereira, L. Marques, J. MacManus-Driscoll, R. Hoye, M. Gomes, Materials Horizons, DOI: 10.1039/d3mh01725g (2023)

Link extern: https://inl.cnrs.fr/projects/nanox4estor/

Dr. Corneliu GHICA

e-mail: cghica@infim.ro

PROJECTS/ PROIECTE INTERNATIONALE

Back to top

Copyright © 2024 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved