‘Siêu tụ điện’ graphene

Ảnh điện cực graphene định hướng thẳng đứng, cho thấy hình dạng không đều của bề mặt. (Ảnh: J Miller)

Tụ điện là những dụng cụ tích điện. “Siêu tụ điện”, chính xác hơn gọi là tụ điện hai lớp điện (DLC) hay tụ điện hóa, có thể tích nhiều điện tích hơn nhờ lớp đôi hình thành tại tiếp giáp chất điện phân – điện cực khi thiết lập điện áp.

Các DLC thương mại cực kì mạnh khi so với pin nhưng chúng về cơ bản là những dụng cụ một chiều – nghĩa là chúng mất vài giây để tích đầy điện tích và rồi mất vài giây để phóng hết toàn bộ điện tích đó. Chúng hoạt động hiệu quả ở những tần số dưới khoảng 0,05Hz và vì thế chúng có ích cho các ứng dụng như xe lai, thiết bị có thể mất 10 giây để tích điện (khi hãm phanh) và 10 giây để phóng điện (khi tăng tốc). Tuy nhiên, ở những tần số cao hơn, chúng trở nên kém hiệu quả đi và bắt đầu hành xử giống như điện trở chứ không như tụ điện nữa. Đây là vì những dụng cụ này thường chứa các điện cực xốp chế tạo từ một chất dẫn điện diện tích mặt cao, thí dụ như carbon hoạt tính, và các lỗ xốp làm tăng điện trở của dụng cụ.

Nay John R Miller cùng các đồng nghiệp thuộc JME Inc. ở Shaker Heights và trường Đại học Case Western Reserve, Cleveland, cả hai đều ở Ohio, vừa khắc phục được vấn đề này bằng cách phát triển DLC đầu tiên chứa các điện cực graphene diện tích mặt cao định hướng thẳng đứng hoàn toàn không xốp. Dụng cụ này đẩy tần số hoạt động của một tụ điện hai lớp điện lên quá 5000 Hz, tốt gấp 10⁵ lần so với các DLC thương mại. Ngoài ra, nó còn nhỏ hơn các tụ điện phân nhôm điện áp thấp đến sáu lần, và có khả năng tích điện và phóng điện với hiệu suất cao với thời gian ngắn hơn 1 ms nhiều.

Cũng điện cực nhìn ở hình trước, nhưng lần này thể hiện với góc nhìn nghiêng. (Ảnh: J Miller)

Các nhà nghiên cứu đã nuôi graphene – những tấm carbon chỉ dày một nguyên tử - trên một kim loại bằng quá trình lắng hơi hóa học plasma hỗ trợ.

Những tấm graphene định hướng thẳng đứng như vậy thật lí tưởng khi xét theo cấu trúc cho các ứng dụng điện cực DLC cao tần. Chúng có nhiều mặt phẳng gờ có thể mang lại điện dung từ 50 đến 70 µF/cm² so với các mặt phẳng cơ bản, chúng chỉ cung cấp 3 µF/cm². Những mặt phẳng gờ tích điện này bị phô ra và vì thế có thể truy xuất trực tiếp, nghĩa là điện tích có thể dự trữ trên những diện tích chính xác chứ không phân tán trên những vùng rộng hơn. Và điều cuối cùng, nhưng chưa hết, cấu trúc tấm nano “xếp chồng” đó đảm bảo các lỗ xốp giảm đi – vì thế giảm tối thiểu điện trở - và bản thân các tấm có tính dẫn điện cao.

“Điểm mấu chốt là những dụng cụ này có thể dẫn tới các tụ điện cao tần nhỏ hơn dùng cho các ứng dụng trong những hệ điện áp thấp như CPU và các mạch tích hợp tương tự”, Miller nói.

Nghiên cứu trên còn có thể cho phép những họ hàng mạch điện tử mới sử dụng các mức điện dung cao hơn nhiều.

Nguồn: physicsworld.com