Устройство на основе ультратонких сегнетоэлектрических пленок может «включать и выключать» теплопроводность, предлагая стабильный и инновационный способ управления теплом в режиме реального времени
Тепло — это вездесущая форма энергии, которую, в отличие от других, крайне сложно накапливать из-за естественной тенденции к рассеиванию. Хотя это свойство необходимо для таких явлений, как поступление солнечной энергии на Землю, оно также представляет собой серьезную технологическую проблему. Вместо того чтобы пытаться изолировать тепло, группа исследователей из Центра исследований в области биологической химии и молекулярных материалов (CiQUS) в сотрудничестве с Барселонским университетом и Сарагосским университетом предложила альтернативную стратегию: использовать тепло там, где оно вырабатывается, контролируя его поток в режиме реального времени и применяя его для разработки устройств с тепловой памятью.
В исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials, команда ученых представила прототип устройства с термопамятью, способного переключаться между состояниями с разной теплопроводностью под воздействием небольшого электрического напряжения. Подобно битам в обычной электронике, система может быть запрограммирована на высокую теплопроводность («включено») или низкую теплопроводность («выключено»), сохраняя свою конфигурацию даже после прекращения воздействия электрического тока.
Устройство основано на использовании сверхтонких пленок толщиной всего в несколько нанометров из оксида гафния и циркония с сегнетоэлектрическими свойствами. В этом материале исследователи объединили два ключевых явления: характерную для сегнетоэлектриков электрическую поляризацию и наличие атомных дефектов, известных как вакансии кислорода, которые препятствуют переносу тепла. Взаимодействие этих двух факторов позволяет точно регулировать теплопроводность системы.
В основе такого поведения лежит электрический контроль движения вакансий. В зависимости от приложенного напряжения вакансии либо накапливаются, либо распределяются по всему материалу, изменяя скорость распространения тепла. Этот процесс приводит к гистерезисному поведению, аналогичному поведению сегнетоэлектрических материалов, что позволяет выделить два стабильных и устойчивых к внешним воздействиям тепловых состояния.
Эта работа открывает новые возможности для активного управления тепловыделением в твердотельных устройствах, которые могут найти применение в терморегулировании электронных систем, преобразовании энергии и разработке технологий обработки информации на основе тепла.