Nano Technology
Almacenamiento de información con luz: materiales foto-ferroeléctricos
Un fotón invierte el estado binario 0/1 de un dispositivo de memoria. (Imagen: ICMAB) Actualmente se requieren dos dispositivos diferentes para usar señales ópticas para el almacenamiento de datos no volátiles: sensores optoelectrónicos y dispositivos de memoria. El estudio del ICMAB recoge estas propiedades en un único material capaz de modular su resistencia por luz pulsada: un material foto-ferroeléctrico. Los materiales ferroeléctricos tienen polarización eléctrica no volátil espontánea conmutable eléctricamente. En películas ferroeléctricas ultrafinas de dicho material intercaladas entre metales apropiados, aparece un efecto de fenómeno mecánico cuántico llamado corriente de túnel. Este efecto permite un flujo de corriente de carga a través de la capa ferroeléctrica, que es realmente aislante, en una cantidad que depende de la dirección de su polarización. En los dispositivos explorados, primero se usa un campo eléctrico una vez para escribir los estados ON / OFF, y se combina con el estímulo óptico para promover el cambio de estados ON / OFF y modular reversiblemente la resistencia (de alta a baja, y viceversa). Estos dispositivos son energéticamente eficientes por dos razones principales: en primer lugar, el consumo de energía se reduce cuando se escribe el estado de la memoria, ya que no necesita ningún flujo de corriente de carga. En segundo lugar, como la información se almacena de manera no volátil, el estado se conserva y no es necesario actualizar la información (reescritura) como se hace continuamente en las memorias RAM actuales de todos los ordenadores, por ejemplo. El interruptor óptico observado no se restringe a los materiales estudiados y, por tanto, abre un camino hacia nuevas investigaciones sobre este fenómeno. En cuanto a futuras aplicaciones, Ignasi Fina prevé lo siguiente: “Los dispositivos estudiados combinan funciones de sensor de luz y memoria. Además, como se muestra en el estudio, el dispositivo se comporta como un memristor. Un memristor es un dispositivo que puede mostrar múltiples estados de resistencia según el estímulo que ha recibido, y es uno de los dispositivos básicos para el desarrollo de sistemas informáticos neuromórficos. Por tanto, el dispositivo desarrollado abre un camino a explorar en relación a su integración en sistemas de visión neuromórfica, donde el sistema aprende a reconocer imágenes ”.
Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=57060.php
Inicio > Prensa > Un enfoque general de las células solares de perovskita de alta eficiencia
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| Investigadores del Instituto de Física Aplicada (IAP) y el Centro de Electrónica Avanzada de Dresde (cfaed) en TU Dresden desarrollaron una metodología general para la fabricación reproducible de células solares de perovskita de alta eficiencia. Su estudio ha sido publicado en la reconocida revista Nature Communications. CRÉDITO Christiane Kunath |
Abstracto:
Las perovskitas, una clase de materiales del que se informó por primera vez a principios del siglo XIX, fueron "redescubiertas" en 19 como un posible candidato para la generación de energía a través de su uso en células solares. Desde entonces, han conquistado a la comunidad de investigación fotovoltaica (PV), alcanzando nuevas eficiencias récord a un ritmo sin precedentes. Esta mejora ha sido tan rápida que para 2009, poco más de una década de investigación después, ya están logrando un rendimiento similar a los dispositivos de silicio convencionales. Lo que hace que las perovskitas sean especialmente prometedoras es la forma en que se pueden crear. Cuando los dispositivos a base de silicio son pesados y requieren altas temperaturas para su fabricación, los dispositivos de perovskita pueden ser livianos y formados con una inversión mínima de energía. Es esta combinación, alto rendimiento y fácil fabricación, lo que ha entusiasmado a la comunidad de investigadores.
Un enfoque general de las células solares de perovskita de alta eficiencia
Dresde, Alemania | Publicado el 1 de abril de 2021
A medida que el rendimiento de la energía fotovoltaica de perovskita se disparó, quedaron atrás algunos de los desarrollos de apoyo necesarios para hacer una tecnología comercialmente viable. Un problema que sigue afectando el desarrollo de la perovskita es la reproducibilidad del dispositivo. Si bien algunos dispositivos fotovoltaicos se pueden fabricar con el nivel de rendimiento deseado, otros fabricados exactamente de la misma manera a menudo tienen eficiencias significativamente menores, lo que desconcierta y frustra a la comunidad de investigadores.
Recientemente, investigadores del Grupo de Tecnologías Electrónicas Emergentes del Prof. Yana Vaynzof han identificado que los procesos fundamentales que ocurren durante la formación de la película de perovskita influyen fuertemente en la reproducibilidad de los dispositivos fotovoltaicos. Cuando se deposita la capa de perovskita de la solución, se vierte un antidisolvente sobre la solución de perovskita para desencadenar su cristalización. “Descubrimos que la duración durante la cual la perovskita estuvo expuesta al antidisolvente tuvo un impacto dramático en el rendimiento final del dispositivo, una variable que, hasta ahora, había pasado desapercibida en el campo”. dice el Dr. Alexander Taylor, investigador asociado postdoctoral en el grupo Vaynzof y el primer autor del estudio. “Esto está relacionado con el hecho de que ciertos antidisolventes pueden disolver al menos parcialmente los precursores de la capa de perovskita, alterando así su composición final. Además, la miscibilidad de los antidisolventes con los solventes en solución de perovskita influye en su eficacia para desencadenar la cristalización ”.
Estos resultados revelan que, a medida que los investigadores fabrican sus dispositivos fotovoltaicos, las diferencias en este paso antidisolvente podrían causar la irreproducibilidad observada en el rendimiento. Yendo más allá, los autores probaron una amplia gama de posibles antidisolventes y demostraron que al controlar estos fenómenos, podían obtener un rendimiento de vanguardia de casi todos los candidatos evaluados. “Al identificar las características antidisolventes clave que influyen en la calidad de las capas activas de perovskita, también podemos predecir el procesamiento óptimo de nuevos antisolventes, eliminando así la necesidad de la tediosa optimización de prueba y error tan común en el campo”. añade el Dr. Fabian Paulus, líder del Grupo de Transporte de Materiales Híbridos de cfaed y colaborador del estudio.
“Otro aspecto importante de nuestro estudio es el hecho de que demostramos cómo una aplicación óptima de un antidisolvente puede ampliar significativamente la ventana de procesabilidad de los dispositivos fotovoltaicos de perovskita”, señala el Prof. Vaynzof, quien dirigió el trabajo. "Nuestros resultados ofrecen a la comunidad de investigación de perovskita información valiosa necesaria para el avance de esta tecnología prometedora en un producto comercial".
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Los resultados fueron publicados en la prestigiosa revista Nature Communications.
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Nanopartículas de oro acopladas a plasmones útiles para la detección del historial térmico
Inicio > Prensa > Nanopartículas de oro acopladas a plasmones útiles para la detección del historial térmico
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| Longitud de onda máxima del espectro de extinción óptica polarizada en función de la temperatura de recuperación, que muestra el comportamiento dependiente de la temperatura que se puede aplicar a los sensores ópticos de historial térmico. Crédito de la imagen: Mehedi H. Rizvi. |
Abstracto:
Los investigadores han demostrado que el estiramiento de polímeros con memoria de forma incrustados con grupos de nanopartículas de oro altera su acoplamiento de plasmón, dando lugar a propiedades ópticas deseables. Una aplicación potencial del material es un sensor que se basa en propiedades ópticas para rastrear el historial térmico de un objeto o entorno.
Nanopartículas de oro acopladas a plasmones útiles para la detección del historial térmico
Durham, Carolina del Norte | Publicado el 1 de abril de 2021
Se trata de un polímero estirable incrustado con nanoesferas de oro. Si el material se calienta y se estira, seguido de un enfriamiento a temperatura ambiente, el material mantendrá su forma estirada indefinidamente. Una vez recalentado a 120 grados Celsius, el material vuelve a su forma original.
Pero lo realmente interesante es que las nanoesferas de oro no están perfectamente dispersas en el polímero. En cambio, forman grupos, en los que se acoplan sus resonancias de plasmones superficiales. Estas nanopartículas acopladas a plasmones tienen propiedades ópticas que cambian dependiendo de qué tan cerca estén unas de otras, lo que cambia cuando el estiramiento altera la forma del compuesto.
"Al evaluar la longitud de onda máxima de la luz absorbida por el material, existen diferencias significativas dependiendo de si la luz está polarizada en paralelo o perpendicular a la dirección de estiramiento", dice Joe Tracy, autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesor de materiales. ciencia e ingeniería en NC State. “Para la luz polarizada en paralelo a la dirección de estiramiento, cuanto más se ha estirado el material, más luz absorbida cambia al rojo. Para la luz polarizada perpendicular a la dirección de estiramiento, hay un desplazamiento hacia el azul ".
“También descubrimos que, si bien el polímero con memoria de forma mantiene su forma a temperatura ambiente, recupera su forma original de una manera predecible, dependiendo de la temperatura a la que está expuesto”, dice Tobias Kraus, coautor del artículo. líder de grupo en el Instituto Leibniz de Nuevos Materiales y profesor en la Universidad de Saarland.
Específicamente, una vez estirado 140% más allá de su longitud original, puede determinar la temperatura más alta a la que se expone el polímero, hasta 120 grados Celsius, midiendo cuánto se ha encogido hacia su tamaño original. Además, debido a las nanopartículas acopladas a plasmones, este cambio se puede medir indirectamente, a través de mediciones de las propiedades ópticas del material.
“Desde una perspectiva práctica, esto le permite crear un sensor óptico de historial térmico”, dice Joe Tracy. “Puedes usar la luz para ver qué tan caliente se puso el material. Una aplicación importante de los sensores de historial térmico es garantizar la calidad o seguridad del envío o el almacenamiento de materiales sensibles a cambios significativos de calor. Hemos demostrado un enfoque basado en el acoplamiento de plasmones de nanopartículas de oro ”.
El concepto de sensor se desarrolló empíricamente, pero los investigadores también utilizaron modelos computacionales para comprender mejor la estructura de los grupos de nanoesferas de oro y cómo los grupos cambiaron durante el estiramiento. La fuerza del acoplamiento de plasmón está relacionada con los espacios entre nanoesferas, lo que se conoce como una "regla de plasmón".
"Basándonos en nuestras simulaciones, podemos estimar la distancia entre las nanopartículas acopladas a plasmones a partir de sus propiedades ópticas", dice Amy Oldenburg, coautora del artículo y profesora de física en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill. "Esta comparación es informativa para diseñar futuros nanocompuestos de polímeros basados en nanopartículas acopladas a plasmones".
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Oxford Instruments Asylum Research lanza el accesorio de módulo de campo magnético variable para Jupiter XR, microscopio de fuerza atómica de muestra grande
Inicio > Prensa > Oxford Instruments Asylum Research lanza el accesorio de módulo de campo magnético variable para Jupiter XR, microscopio de fuerza atómica de muestra grande
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Abstracto:
Oxford Instruments Asylum Research anuncia el lanzamiento del accesorio de módulo de campo variable (VFM) para el microscopio de fuerza atómica (AFM) Jupiter XR. El campo magnético ajustable habilitado por el accesorio VFM es útil para aplicaciones como la obtención de imágenes del comportamiento de inversión de dominio de películas delgadas ferromagnéticas, el estudio de la resistencia dependiente del campo magnético en dispositivos sensores o la obtención de imágenes de partículas magnéticas. Este accesorio exclusivo de Asylum Research se puede configurar para que el campo magnético se aplique en el plano con la muestra o fuera del plano. “El accesorio VFM es exclusivo de los AFM de Asylum Research y permitirá a los investigadores aumentar su conocimiento de los materiales ferromagnéticos y piezoeléctricos”, comentó el Dr. Jason Li, director científico de aplicaciones de Oxford Instruments Asylum Research.
Oxford Instruments Asylum Research lanza el accesorio de módulo de campo magnético variable para Jupiter XR, microscopio de fuerza atómica de muestra grande
Santa Bárbara, CA | Publicado el 26 de marzo de 2021
Los AFM de investigación de asilo se utilizan ampliamente en muchos campos de investigación industrial y académica diferentes, incluido el almacenamiento de energía, polímeros, semiconductores y materiales 2D. El Jupiter XR es un AFM de muestras grandes que puede acomodar muestras de hasta 200 milímetros de diámetro e inspeccionar áreas de hasta 100 × 100 micrones al mismo tiempo que ofrece una resolución ultra alta y un alto rendimiento, con imágenes típicas que requieren 1 minuto para adquirirlas.
- Final -
Emitido para y en nombre de Oxford Instruments Asylum Research Inc.
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Acerca de Oxford Instruments Asylum Research
Oxford Instruments Asylum Research es el líder tecnológico en microscopía de fuerza atómica para la investigación de materiales y biociencias. Los AFM de investigación de asilo son ampliamente utilizados por investigadores académicos e industriales para caracterizar muestras de diversos campos que abarcan la ciencia de materiales, polímeros, películas delgadas, investigación energética y biofísica. Además de las imágenes de rutina de la topografía y la rugosidad de la muestra, los AFM de Asylum Research también ofrecen una resolución inigualable y una capacidad de medición cuantitativa para la caracterización nanoeléctrica, nanomecánica y electromecánica. Los avances recientes han hecho que estas mediciones sean mucho más simples y automatizadas para aumentar la consistencia y la productividad. Sus líneas de productos AFM Cypher ™, MFP-3D ™ y Jupiter ™ abarcan una amplia gama de rendimiento y presupuestos. Asylum Research también ofrece una amplia selección de sondas, accesorios y consumibles AFM. Las oficinas de ventas, aplicaciones y servicios están ubicadas en los Estados Unidos, Alemania, Reino Unido, Japón, Francia, India, China y Taiwán, con oficinas de distribución en otras regiones del mundo.
Sobre Oxford Instruments plc
Oxford Instruments diseña, suministra y brinda soporte a herramientas y sistemas de alta tecnología con un enfoque en la investigación y las aplicaciones industriales. La innovación ha sido la fuerza impulsora detrás del crecimiento y el éxito de Oxford Instruments durante 60 años, respaldando su propósito principal de abordar algunos de los desafíos más urgentes del mundo.
Oxford Instruments, la primera empresa de tecnología que surgió de la Universidad de Oxford, es ahora una empresa global y cotiza en el índice FTSE250 de la Bolsa de Valores de Londres (OXIG). Su estrategia se centra en ser un Grupo centrado en el cliente y centrado en el mercado, entendiendo los desafíos técnicos y comerciales que enfrentan sus clientes. Los segmentos clave del mercado incluyen semiconductores y comunicaciones, materiales avanzados, salud y ciencias biológicas y tecnología cuántica.
Su cartera incluye una gama de tecnologías centrales en áreas tales como entornos de baja temperatura y alto campo magnético; Resonancia magnética nuclear; Metrología basada en rayos X, electrones, láser y óptica; Fuerza atómica microscópica; imágenes ópticas; y crecimiento avanzado, deposición y grabado.
Oxford Instruments está ayudando a permitir una economía más verde, una mayor conectividad, una mejor salud y avances en el conocimiento científico. Sus productos y servicios avanzados permiten a las principales empresas industriales y comunidades de investigación científica del mundo obtener imágenes, analizar y manipular materiales hasta el nivel atómico y molecular, lo que ayuda a acelerar la I + D, aumentar la productividad de fabricación y realizar descubrimientos revolucionarios.
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El diseño podría permitir baterías de litio más potentes y duraderas: el uso de un electrolito novedoso podría permitir electrodos metálicos avanzados y voltajes más altos, aumentando la capacidad y el ciclo de vida
Inicio > Prensa > El diseño podría permitir baterías de litio más potentes y duraderas: el uso de un electrolito novedoso podría permitir electrodos metálicos avanzados y voltajes más altos, aumentando la capacidad y el ciclo de vida
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| Las imágenes de tomografía de rayos X tomadas en el Brookhaven National Lab muestran el agrietamiento de una partícula en un electrodo de una celda de batería que usaba un electrolito convencional (como se ve a la izquierda). Los investigadores encontraron que el uso de un electrolito novedoso previno la mayor parte de este agrietamiento (derecha). Créditos: Imagen: cortesía de los investigadores |
Abstracto:
Las baterías de iones de litio han hecho posible los dispositivos electrónicos livianos cuya portabilidad ahora damos por sentada, así como la rápida expansión de la producción de vehículos eléctricos. Pero los investigadores de todo el mundo continúan presionando los límites para lograr densidades de energía cada vez mayores, la cantidad de energía que se puede almacenar en una masa determinada de material, para mejorar el rendimiento de los dispositivos existentes y potencialmente habilitar nuevas aplicaciones como -range drones y robots.
El diseño podría permitir baterías de litio más potentes y duraderas: el uso de un electrolito novedoso podría permitir electrodos metálicos avanzados y voltajes más altos, aumentando la capacidad y el ciclo de vida
Cambridge, MA | Publicado el 26 de marzo de 2021
Un enfoque prometedor es el uso de electrodos metálicos en lugar del grafito convencional, con un voltaje de carga más alto en el cátodo. Sin embargo, esos esfuerzos se han visto obstaculizados por una variedad de reacciones químicas no deseadas que tienen lugar con el electrolito que separa los electrodos. Ahora, un equipo de investigadores del MIT y otros lugares ha encontrado un electrolito novedoso que supera estos problemas y podría permitir un salto significativo en la potencia por peso de las baterías de próxima generación, sin sacrificar el ciclo de vida.
La investigación se informa hoy en la revista Nature Energy en un artículo de los profesores del MIT Ju Li, Yang Shao-Horn y Jeremiah Johnson; postdoctorado Weijiang Xue; y otros 19 en el MIT, dos laboratorios nacionales y otros lugares. Los investigadores dicen que el hallazgo podría hacer posible que las baterías de iones de litio, que ahora normalmente pueden almacenar alrededor de 260 vatios-hora por kilogramo, almacenen alrededor de 420 vatios-hora por kilogramo. Eso se traduciría en rangos más largos para los autos eléctricos y cambios más duraderos en los dispositivos portátiles.
Las materias primas básicas para este electrolito son económicas (aunque uno de los compuestos intermedios sigue siendo costoso porque tiene un uso limitado) y el proceso para fabricarlo es simple. Entonces, este avance podría implementarse con relativa rapidez, dicen los investigadores.
El electrolito en sí no es nuevo, explica Johnson, profesor de química. Fue desarrollado hace unos años por algunos miembros de este equipo de investigación, pero para una aplicación diferente. Fue parte de un esfuerzo por desarrollar baterías de litio-aire, que se consideran la solución definitiva a largo plazo para maximizar la densidad de energía de la batería. Pero todavía hay muchos obstáculos que enfrenta el desarrollo de tales baterías, y esa tecnología aún puede estar dentro de varios años. Mientras tanto, aplicar ese electrolito a baterías de iones de litio con electrodos metálicos resulta ser algo que se puede lograr mucho más rápidamente.
La nueva aplicación de este material de electrodo se descubrió "de manera un tanto fortuita", después de que Shao-Horn, Johnson y otros la habían desarrollado inicialmente hace unos años, en una empresa de colaboración destinada al desarrollo de baterías de litio-aire.
“Todavía no hay nada que permita una buena batería de litio-aire recargable”, dice Johnson. Sin embargo, "diseñamos estas moléculas orgánicas que esperábamos que pudieran conferir estabilidad, en comparación con los electrolitos líquidos existentes que se utilizan". Desarrollaron tres formulaciones diferentes basadas en sulfonamidas, que encontraron que eran bastante resistentes a la oxidación y otros efectos de degradación. Luego, trabajando con el grupo de Li, el postdoctorado Xue decidió probar este material con cátodos más estándar.
El tipo de electrodo de batería que ahora han usado con este electrolito, un óxido de níquel que contiene algo de cobalto y manganeso, "es el caballo de batalla de la industria de vehículos eléctricos actual", dice Li, quien es profesor de ciencia e ingeniería nuclear y ciencia e ingeniería de materiales. .
Debido a que el material del electrodo se expande y contrae de forma anisotrópica a medida que se carga y descarga, esto puede provocar grietas y una falla en el rendimiento cuando se usa con electrolitos convencionales. Pero en experimentos en colaboración con el Laboratorio Nacional de Brookhaven, los investigadores encontraron que el uso del nuevo electrolito redujo drásticamente estas degradaciones por agrietamiento por corrosión bajo tensión.
El problema era que los átomos de metal de la aleación tendían a disolverse en el electrolito líquido, perdiendo masa y provocando el agrietamiento del metal. Por el contrario, el nuevo electrolito es extremadamente resistente a dicha disolución. Al observar los datos de las pruebas de Brookhaven, dice Li, fue "algo impactante ver que, si solo cambia el electrolito, entonces todas estas grietas desaparecen". Descubrieron que la morfología del material electrolítico es mucho más robusta y que los metales de transición "simplemente no tienen tanta solubilidad" en estos nuevos electrolitos.
Esa fue una combinación sorprendente, dice, porque el material todavía permite que los iones de litio pasen fácilmente, el mecanismo esencial por el cual las baterías se cargan y descargan, mientras bloquea la entrada de otros cationes, conocidos como metales de transición. La acumulación de compuestos no deseados en la superficie del electrodo después de muchos ciclos de carga y descarga se redujo más de diez veces en comparación con el electrolito estándar.
“El electrolito es químicamente resistente contra la oxidación de materiales ricos en níquel de alta energía, lo que evita la fractura de partículas y estabiliza el electrodo positivo durante el ciclo”, dice Shao-Horn, profesor de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales. “El electrolito también permite el decapado y el enchapado estable y reversible del metal de litio, un paso importante hacia la habilitación de baterías recargables de metal de litio con una energía dos veces mayor que la de las baterías de iones de litio de última generación. Este hallazgo catalizará una mayor búsqueda de electrolitos y diseños de electrolitos líquidos para baterías de metal de litio que compitan con las que tienen electrolitos de estado sólido ".
El siguiente paso es escalar la producción para que sea asequible. "Lo hacemos en una reacción muy fácil a partir de materiales de partida comerciales fácilmente disponibles", dice Johnson. En este momento, el compuesto precursor utilizado para sintetizar el electrolito es caro, pero él dice: "Creo que si podemos mostrarle al mundo que este es un gran electrolito para la electrónica de consumo, la motivación para escalar aún más ayudará a reducir el precio. . "
Debido a que esto es esencialmente un reemplazo "directo" de un electrolito existente y no requiere rediseño de todo el sistema de baterías, dice Li, podría implementarse rápidamente y comercializarse en un par de años. “No hay elementos costosos, es solo carbono y flúor. Así que no está limitado por los recursos, es solo el proceso ”, dice.
La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias, y utilizó las instalaciones del Laboratorio Nacional Brookhaven y el Laboratorio Nacional Argonne.
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