超微型超级电容器：改变游戏规则的储能奇迹

超微型超级电容器：改变游戏规则的储能奇迹印度科学研究院（IISc）仪器与应用物理系（IAP）的研究人员设计出了一种新型超微超级电容器，这是一种能够存储大量电荷的微型装置。它比现有的超级电容器更小、更紧凑，可用于从路灯到消费电子产品、电动汽车和医疗设备等多种设备。目前，这些设备大多由电池供电。然而，随着时间的推移，这些电池会失去储存电荷的能力，因此保质期有限。而电容器凭借其设计，可以存储更长时间的电荷。例如，一个工作电压为5伏的电容器在十年后仍能以相同的电压工作。但与电池不同的是，超级电容器不能持续放电，例如为手机供电。另一方面，超级电容器集电池和电容器的优点于一身，既能储存又能释放大量能量，因此在下一代电子设备中备受青睐。在最近发表在《ACSEnergyLetters》上的这项研究中，研究人员使用场效应晶体管（FET）作为电荷收集器，而不是现有电容器中使用的金属电极，制造出了他们的超级电容器。"使用场效应晶体管作为超级电容器的电极是调整电容器电荷的新方法，"该研究的通讯作者、IAP教授AbhaMisra说。设备示意图。资料来源：VinodPanwar和PankajSinghChauhan电容器设计的创新目前的电容器通常使用基于金属氧化物的电极，但它们受到电子迁移率低的限制。因此，米斯拉和她的团队决定制造混合型场效应晶体管，由二硫化钼（MoS2）和石墨烯的几原子厚层交替组成，以提高电子迁移率，然后与金触点相连。两个FET电极之间使用固体凝胶电解质，以构建固态超级电容器。整个结构建立在二氧化硅/硅基底上。米斯拉说："设计是关键部分，因为你要整合两个系统。这两个系统是两个场效应晶体管电极和凝胶电解质（一种离子介质），它们具有不同的电荷容量。该研究的主要作者之一、IAP的博士生维诺德-潘瓦尔（VinodPanwar）补充说，制造这种装置以获得晶体管的所有理想特性具有挑战性。由于这些超级电容器非常小，没有显微镜是无法看到的，而且制造过程需要高精度和手眼协调。"VinodPanwar在无尘室中制作设备。资料来源：PragyaSharma性能和未来计划超级电容器制作完成后，研究人员通过施加各种电压测量了该装置的电化学电容或电荷保持能力。他们发现，在某些条件下容量增加了3000%。相比之下，仅含有MoS2而不含石墨烯的电容器在相同条件下容量仅提高了18%。今后，研究人员计划探索用其他材料替代MoS2能否进一步提高超级电容器的存储能力。他们补充说，他们的超级电容器功能齐全，可通过片上集成应用于电动汽车电池等储能设备或任何小型化系统中。他们还计划为超级电容器申请专利。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1392215.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1392215.htm

由超级电容供电的i-Rocks无线鼠标：充电3分钟可用一周 可航空托运

由超级电容供电的i-Rocks无线鼠标：充电3分钟可用一周可航空托运电容器的额定充电周期为100000次，而当代无线游戏鼠标使用的锂离子电池仅为1000次左右。最关键的是，电容器比电池更轻，而且不受锂离子电池的旅行和运输限制，不需要把这款鼠标放在随身携带的行李中，在机场办票时也可以选择托运。i-Rocks表示他们还在开发基于超级电容的无线键盘。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1433822.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1433822.htm

伯克利实验室开发的新型微型电容器显示出创纪录的能量和功率密度

伯克利实验室开发的新型微型电容器显示出创纪录的能量和功率密度访问：NordVPN立减75%+外加3个月时长另有NordPass密码管理器微型电容器技术的突破劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和加州大学伯克利分校的科学家们在克服这些挑战方面迈出了重要一步，最近在微型电容器中实现了创纪录的高能量和高功率密度。这些电容器由氧化铪和氧化锆的工程薄膜制成，采用了芯片制造中常见的材料和制造技术。他们的研究成果发表在《自然》（Nature）杂志上，可彻底改变下一代电子产品的片上能量存储和电力传输。伯克利实验室资深科学家、加州大学伯克利分校教授兼项目负责人赛义夫-萨拉赫丁（SayeefSalahuddin）表示："我们已经证明，在由工程薄膜制成的微型电容器中存储大量能量是可能的，比普通电介质存储的能量要多得多。更重要的是，我们使用的材料可以直接在微处理器上进行加工。"这项研究是伯克利实验室为开发更高效的微电子学新材料和新技术所做的更广泛努力的一部分。在三维沟槽电容器结构中使用工程氧化铪/氧化锆薄膜制成的微型电容器--与现代微电子中使用的结构相同--实现了创纪录的高能量存储和功率密度，为片上能量存储铺平了道路。图片来源：NirmaanShanker/SurajCheema电容器基础知识与挑战电容器是电路的基本元件之一，但也可用于储存能量。与通过电化学反应储存能量的电池不同，电容器通过在两块被绝缘材料隔开的金属板之间建立的电场储存能量。在需要时，电容器可以快速放电，从而可以快速供电。此外，电容器不会因反复充放电循环而老化，因此寿命比电池长很多。不过，电容器的能量密度通常比电池低得多，这意味着它们在单位体积或重量上可存储的能量更少，而当试图将它们缩小到微型电容器大小用于片上能量存储时，这个问题只会变得更糟。SayeefSalahuddin（左）和NirmaanShanker在实验室。图片来源：MarilynSargent/伯克利实验室研究方法和结果研究人员通过精心设计HfO2-ZrO2薄膜来实现负电容效应，从而制造出革命性的微型电容器。通常情况下，将一种介电材料层叠在另一种介电材料之上会导致整体电容降低。但是，如果其中一层是负电容材料，那么整体电容实际上会增加。在早先的研究中，萨拉赫丁及其同事展示了利用负电容材料生产晶体管的方法，这种晶体管的工作电压大大低于传统的MOSFET晶体管。在这里，他们利用负电容生产出了能够存储更多电荷的电容器，因此也存储了更多能量。这些薄膜由HfO2和ZrO2混合制成，采用工业芯片制造的标准材料和技术进行原子层沉积。根据这两种成分的比例，薄膜可以是铁电性的，即晶体结构具有内置的电极化；也可以是反铁电性的，即通过施加电场可以使晶体结构进入极化状态。当成分调整得恰到好处时，给电容器充电产生的电场会使薄膜在铁电和反铁电秩序之间的临界点达到平衡，这种不稳定性会产生负电容效应，即使很小的电场也能轻易地使材料极化。萨拉赫丁课题组的博士后、论文的主要作者之一苏拉杰-切马（SurajCheema）说："在相变过程中，单元格确实希望被极化，这有助于在电场作用下产生额外的电荷。这种现象是负电容效应的一个例子，但可以把它看作是一种捕获比正常情况下更多电荷的方法。"为了提高薄膜的储能能力，研究小组需要增加薄膜厚度，同时又不使其松弛出受挫反铁电-铁电状态。他们发现，通过在每隔几层HfO2-ZrO2后穿插原子级氧化铝薄层，可以将薄膜厚度增加到100纳米，同时保持所需的特性。最后，研究人员与麻省理工学院林肯实验室的合作者合作，将薄膜集成到三维微型电容器结构中，在硅片上切割的深沟中生长精确分层的薄膜，长宽比高达100:1。这些三维沟槽电容器结构可用于当今的DRAM电容器，与平面电容器相比，其单位面积电容要高得多，从而实现了更大的微型化和设计灵活性。由此产生的器件具有破纪录的特性：与当今最好的静电电容器相比，这些微型电容器的能量密度高出9倍，功率密度高出170倍（分别为80mJ-cm-2和300kW-cm-2）。萨拉赫丁说："我们获得的能量和功率密度远远高于我们的预期。多年来，我们一直在开发负电容材料，但这些结果令人十分惊讶。"未来发展方向这些高性能微电容器有助于满足物联网传感器、边缘计算系统和人工智能处理器等微型设备对高效、微型化能源存储日益增长的需求。研究人员目前正在努力扩大技术规模，将其集成到全尺寸微芯片中，并推动基础材料科学的发展，以进一步提高这些薄膜的负电容。"有了这项技术，我们终于可以开始实现在芯片上无缝集成极小尺寸的能量存储和电力传输，"Cheema说。"它可以开辟微电子能源技术的新领域。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1431400.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1431400.htm

科学家发明测量水环境中纳米尺度的极微小力的新方法

科学家发明测量水环境中纳米尺度的极微小力的新方法超分辨光子力显微镜，用于探测纳米粒子与表面之间的超弱相互作用力。资料来源：LeiDing这项新技术采用了超分辨光子力显微镜（SRPFM），能够检测到水中小至108.2牛顿的力--如此微小的力相当于测量一个病毒的重量。北京航空航天大学的首席研究员王凡教授说，这种超灵敏测量的关键在于使用掺镧纳米粒子，通过光学镊子将其捕获，然后用来探测生物系统内的微小作用力。他说："了解这些微小的力对于研究生物力学过程至关重要，而生物力学过程是活细胞工作的基础。到目前为止，由于探针发热和信号微弱等因素，在液体环境中高精度测量如此微小的力是一项重大挑战。"王及其团队开发的SRPFM技术通过采用先进的纳米技术和计算技术解决了这些难题。通过利用神经网络驱动的超分辨率定位技术，研究小组能够精确测量纳米粒子在流体介质中如何受到微小力的作用而发生位移。这项研究的共同第一作者、皇家墨尔本理工大学的丁磊博士说，这项创新不仅提高了力测量的分辨率和灵敏度，还最大限度地降低了捕获纳米粒子所需的能量，从而减少了对生物样本的潜在损害。丁说："我们的方法可以检测到低至每平方根带宽1.8飞牛顿的力，这接近热噪声的理论极限。"这项研究的影响是巨大的，共同第一作者、北京航空航天大学的单旭晨博士补充道。单说："通过提供一种在分子水平上测量生物事件的新工具，这项技术可以彻底改变我们对一系列生物和物理现象的理解。这包括从蛋白质如何在人体细胞内发挥作用到早期检测疾病的新方法等方方面面。单该研究还探索了该技术在测量作用于单个纳米粒子的电泳力以及DNA分子与界面之间的相互作用力方面的应用，这对于开发先进的生物医学工程技术至关重要。研究小组的发现不仅为新的科学发现铺平了道路，而且还可能应用于开发新的纳米技术工具和提高生物医学诊断的灵敏度。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1436099.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1436099.htm

麻省理工学院的自供电传感器 能自动收集环境中的磁能

麻省理工学院的自供电传感器能自动收集环境中的磁能麻省理工学院的研究人员开发出一种无需电池、自供电的传感器，可以从环境中获取能量。资料来源：麻省理工学院ChristineDaniloff研究人员制造了一种温度感应装置，它能从电线周围露天产生的磁场中获取能量。人们只需将传感器夹在带电导线（可能是为电机供电的导线）周围，它就会自动收集并储存能量，用来监测电机的温度。"这就是环境电能--我不必通过特定的焊接连接就能获得的能量。"电子研究实验室成员、电子工程与计算机科学（EECS）伊曼纽尔-兰兹曼（EmanuelE.Landsman）教授兼机械工程学教授SteveLeeb说："这使得这种传感器非常容易安装。"这个能量管理接口是一个自供电、无需电池的传感器的"大脑"，它可以从电线周围露天产生的磁场中获取工作所需的能量。图片来源：研究人员提供，经《麻省理工新闻》编辑在这篇刊登在《电气和电子工程师学会传感器杂志》1月刊上的特写文章中，研究人员为能量收集传感器提供了一个设计指南，让工程师能够平衡环境中的可用能量和他们的传感需求。论文为能够在运行过程中持续感知和控制能量流的设备的关键组件绘制了路线图。这种多用途设计框架并不局限于收集磁场能量的传感器，还可应用于使用其他电源（如振动或阳光）的传感器。它可用于为工厂、仓库和商业空间构建安装和维护成本更低的传感器网络。"我们提供了一个无电池传感器的例子，它能做一些有用的事情，并证明这是一个切实可行的解决方案。希望其他人也能利用我们的框架来设计他们自己的传感器。"与Monagle和Leeb一起参与论文撰写的还有电子工程与科学研究生EricPonce。美国海军学院武器与控制工程副教授约翰-多纳尔（JohnDonnal）没有参与这项工作，他研究的是监控舰船系统的技术。他说，要在舰艇上获得电源是很困难的，因为插座很少，而且对可以插入哪些设备有严格限制。多纳尔补充说："例如，持续测量泵的振动可以为船员提供轴承和支架健康状况的实时信息，但为加装的传感器供电往往需要大量额外的基础设施，以至于不值得投资。像这样的能量收集系统可以在船舶上加装各种诊断传感器，大大降低整体维护成本。"研究人员必须应对三大挑战，才能开发出一种有效、无需电池的能量收集传感器。首先，系统必须能够冷启动，这意味着它可以在没有初始电压的情况下启动电子设备。他们利用集成电路和晶体管网络实现了这一点，使系统能够储存能量，直到达到一定的阈值。只有当系统储存了足够的能量，可以完全运行时，它才会开启。其次，该系统必须在不使用电池的情况下有效地储存和转换所收集的能量。虽然研究人员可以在系统中加入电池，但这会增加系统的复杂性，并可能带来火灾风险。"您甚至可能连派出技术人员更换电池的奢望都没有。相反，我们的系统是免维护的。它可以自行采集能量并运行，"Monagle补充道。为了避免使用电池，它们采用了内部储能技术，包括一系列电容器。电容器比电池更简单，它将能量储存在导电板之间的电场中。电容器可由各种材料制成，其功能可根据各种工作条件、安全要求和可用空间进行调整。研究小组精心设计了电容器，使其足够大，能够储存设备开启和开始收集电能所需的能量，但又足够小，充电阶段不会花费太长时间。此外，由于传感器可能会在几周甚至几个月后才开启进行测量，因此他们要确保电容器能够保持足够的能量，即使有些能量会随着时间的推移而泄漏。最后，他们开发了一系列控制算法，动态测量和预算设备收集、储存和使用的能量。微控制器是能量管理界面的"大脑"，它不断检查储存了多少能量，并推断是否要打开或关闭传感器、进行测量，或者将收割机调到更高的档位，以便收集更多能量，满足更复杂的传感需求。Monagle解释说："就像你在自行车上换挡一样，能量管理界面会查看收割机的工作情况，主要是看它是踩得太用力还是太轻，然后它就会改变电子负载，从而最大限度地提高收割功率，并使收割功率与传感器的需求相匹配。"利用这一设计框架，他们为一个现成的温度传感器构建了一个能量管理电路。该设备收集磁场能量，并利用磁场能量持续采样温度数据，然后通过蓝牙将数据发送到智能手机接口。研究人员使用超低功耗电路设计该装置，但很快发现，这些电路在崩溃前可承受的电压有严格限制。收集过多的电能可能会导致设备爆炸。为了避免这种情况，他们在微控制器中的能量收集器操作系统会在存储的能量过多时自动调整或减少收集量。他们还发现，通信--传输温度传感器收集的数据--是迄今为止最耗电的操作。Monagle说："确保传感器有足够的存储能量来传输数据是一项长期的挑战，需要精心设计。"未来，研究人员计划探索能耗较低的数据传输手段，如使用光学或声学。他们还希望更严格地模拟和预测进入系统的能量，或传感器测量所需的能量，以便设备能有效地收集更多数据。"如果你只进行你认为需要的测量，你可能会错过一些真正有价值的东西。如果有更多的信息，你可能会了解到一些你意想不到的设备运行情况。我们的框架可以让您平衡这些考虑因素，"Leeb说。"这篇论文详细阐述了实用的自供电传感器节点在现实场景中的内部结构。"佛罗里达农工大学-佛罗里达州立大学工程学院电气与计算机工程助理教授JinyeongMoon说："整体设计指南，尤其是冷启动问题，非常有帮助。计划为无线传感器节点设计自供电模块的工程师将从这些指南中获益匪浅，轻松勾选传统上与冷启动相关的繁琐清单"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424969.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424969.htm

奇特的瞬态无线电脉冲为其神秘的起源提供线索

奇特的瞬态无线电脉冲为其神秘的起源提供线索绿岸望远镜能够观察到来自FRB20190520B的波的方向变化，就像通过大质量恒星大气层的镜头观察到的那样。图片来源：NSF/GBO/P.Vosteen在40亿光年外的矮星系中心，有一个神秘的宇宙天体，它会产生仅持续几毫秒的能量爆发。关于这种快速射电暴(FRB)的新研究揭示了其源头周围罕见的天文环境，其中磁场随时间扭曲、转动和起伏。这是首次检测到从FRB观察到的磁场反转，也是首次在另一个星系中观察到这种行为。天文学家长期以来一直在寻找快速射电暴的神秘起源。这些神秘的瞬态射电脉冲于2007年由西弗吉尼亚大学的一组科学家发现，被认为是宇宙之谜，因为FRB的成因和起源仍然未知。由西弗吉尼亚大学研究生研究助理ReshmaAnna-Thomas领导的一个国际团队在运动期间发现了FRB中磁场反转的第一个证据。这一发现也强化了至少一部分快速射电暴起源于双星系统的观点，双星系统是一个由两颗相互绕行的恒星组成的系统。Anna-Thomas分享道，“我们希望发现旋转测量的高值，表明极端磁化等离子体环境，但令人惊讶的是，我们还发现它是高度可变的，并且集成磁场会翻转方向。”Anna-Thomas和团队使用美国国家科学基金会的绿岸望远镜(GBT)对FRB20190520B进行了为期17个月的观测——这在天文时间尺度上非常短暂。FRB的独特特征激发了对数据的更深入研究，例如高局部色散测量（这是密集局部环境的标志），以及与FRB位于同一位置的持久无线电源。来自澳大利亚帕克斯望远镜（也称为Murriyang）的数据帮助完成了这张照片并加强了他们的结论。具有如此极端湍流和反转的磁场以前从未在宇宙中观察到过，尽管我们银河系中有一颗脉冲星非常接近。这颗脉冲星位于一个双星系统中，有一颗大质量恒星。研究人员将他们的FRB观察到的磁性解释为可能是由大质量恒星的湍流日冕引起的，这提供了一个令人惊叹的镜头，我们可以通过它观察FRB双星。西弗吉尼亚大学教授兼天文学家SarahBurkeSpolaor解释说：“来自大质量恒星大气层的剧烈起伏和流动的等离子体风沿着我们对FRB源的视线提供了一个不断变化的磁场。当光波在特定方向波动时会发生偏振，而磁场可以重新调整该方向。这就是我们能够观察到光的变化方向的方式。”支持这项研究的GBO科学家RyanLynch补充说：“GBT的高灵敏度、观察高频和记录全极化数据的能力对这项研究至关重要。它是研究快速射电暴的最佳望远镜之一。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1364693.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1364693.htm