Eletrônica

Capacitância negativa é fotografada pela primeira vez

Capacitância negativa é fotografada pela primeira vez
A capacitância negativa poderá ser explorada em transistores, baterias, supercapacitores e outras aplicações. [Imagem: Ajay K. Yadav et al. - 10.1038/s41586-018-0855-y]

Capacitância negativa

Pela primeira vez, pesquisadores conseguiram fazer imagens do estado microscópico da capacitância negativa.

Essas imagens fornecem uma visão fundamental da física da capacitância negativa, que promete efeitos de longo alcance para uma eletrônica mais eficiente em termos energéticos.

Capacitores são componentes simples que armazenam uma carga elétrica. Sua capacitância, ou capacidade de armazenar energia elétrica, é determinada por quanto a carga do capacitor muda quando ele é conectado a uma fonte de tensão, como uma bateria.

A capacitância negativa ocorre quando uma mudança na carga faz com que a tensão através de um material mude na direção oposta - uma diminuição na tensão aplicada leva a um aumento na carga do capacitor.

"O resultado final é que a relação oposta entre carga e tensão pode aumentar localmente a voltagem em um material dielétrico comum. A 'amplificação de tensão' obtida pode ser usada para reduzir a necessidade de tensão de alimentação em um transístor, tornando os computadores e outros aparelhos eletrônicos mais eficiente em termos energéticos," disse o professor Sayeef Salahuddin, da Universidade da Califórnia em Berkeley, nos EUA.

Researchers capture an image of negative capacitance in action
Esta imagem mostra a capacitância negativa em ação. Dentro da camada ferroelétrica, no topo da imagem, a região central tem uma energia maior que outras regiões. É aí que a permissividade local é negativa. [Imagem: Pablo Garcia Fernandez/Javier Junquera - Universidade de Cantabria]

Transistores, baterias e aplicações não convencionais

A equipe capturou diretamente a capacitância negativa em uma superrrede atomicamente perfeita de heteroestruturas dielétricas e ferroelétricas - uma superrede é uma estrutura formada por diferentes elementos, diferente da rede atômica de um cristal, formada por um único elemento. Um diamante de ouro é um exemplo de superrede.

Usando técnicas de imagem de última geração, a equipe mapeou a polarização e o campo elétrico com resolução atômica. Isso permitiu estimar a densidade de energia local, que mostra claramente regiões onde a curvatura da densidade de energia é negativa, indicando a estabilização da capacitância negativa.

"Nós acreditamos que a visualização microscópica da capacitância negativa obtida neste trabalho permitirá aos pesquisadores projetar transistores altamente eficientes em termos de energia que possam explorar a capacitância negativa da maneira mais otimizada. A implicação de nosso trabalho, no entanto, vai muito além dos transistores. A capacitância negativa poderá ter uso em baterias, supercapacitores e aplicações eletromagnéticas não convencionais," disse Salahuddin.

Bibliografia:

Spatially resolved steady-state negative capacitance
Ajay K. Yadav, Kayla X. Nguyen, Zijian Hong, Pablo García-Fernández, Pablo Aguado-Puente, Christopher T. Nelson, Sujit Das, Bhagawati Prasad, Daewoong Kwon, Suraj Cheema, Asif I. Khan, Chenming Hu, Jorge Íñiguez, Javier Junquera, Long-Qing Chen, David A. Muller, Ramamoorthy Ramesh, Sayeef Salahuddin
Nature
DOI: 10.1038/s41586-018-0855-y




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