Предложен квантовый суперконденсатор, между электродами которого располагается наноструктурированный материал, состоящий из кластеров с туннельно прозрачными оболочками. (стр. 2 из 4)

Предлагаемая теоретическая модель кольцевого электрона позволяет описать с новых позиций большинство нестационарных и нелинейных процессов, возникающих в конденсированной среде.

В определенных материалах можно искусственно создать условие формирования кольцевого электрона с помощью внешних воздействий и/или с помощью наноструктурирования среды. Тем самым создаются резонансные условия работы квантовых суперконденсаторов, позволяющие функционировать им при нормальных температурах и выше.

За счет уменьшения сечения взаимодействия с ионами кристаллической решетки диэлектрика возможно увеличить рабочую температуру квантового суперконденсатора до величины

. (3)

Этой температуре соответствует потенциал перехода электрона через барьер U_e =0.09928В. При спаривании электронов с однонаправленными спинами их энергия возрастает в два раза и т.д.

Если спариваются электроны с противоположными спинами, то энергия связи за счет поворота в пространстве на p предельная рабочая температура уменьшается до величины

. (4)

В зависимости от заданного режима работы температуры T_eи T_p являются критическими рабочими температурами квантовых суперконденсаторов.

Частота вращения электронного кольца будет определять предельную рабочую частоту квантового суперконденсатора

(5)

Предельно достижимая плотность тока в квантовом суперконденсаторе

(6)

Максимально допустимая напряженность поля, при котором начинает происходить пробой в квантовом суперконденсаторе

(7)

Сопротивление материала будет определять токи утечки конденсатора, т.е. время хранения энергии. Сопротивление можно вычислить в расчете на один кластер следующим образом

(8)

При последовательном соединении таких кластеров сопротивление возрастает прямо пропорционально и по существу не сказывается на токах утечки конденсатора, если напряженность поля меньше E_e и рабочая температура ниже T_e.

Для расчета энергетических параметров конденсатора будем считать, что кластеры являются центральносимметричными и вместе с туннельно прозрачной оболочкой имеют диаметр 2.175×10^-6 см. На 1 см² будет располагаться 2.1×10¹¹ таких кластеров. Наиболее устойчивое состояние кластера будет в случае, когда в нем находится два электрона. Тогда в 1 см³ материала может храниться заряд 2.42×10^-2 Кл. Если на обкладках конденсатора действующее напряжение 1.37×10⁵ В, то в соответствие с формулой (1) мы имеем удельную запасенную энергию в конденсаторе W_e= 1.66 ×10³ Дж/см³. Если использовать полые сферы, тогда удельная плотность материала при любой оболочке не превысит 1 г/см³. Следовательно, удельная энергия, запасенная в 1 кг материала составит не менее 1.66 МДж/кг. Этой величине соответствует e=2×10⁶ .

На основании этой модели стало возможным разработать совершенно новый принцип работы и способы функционирования конденсаторов с твердым диэлектриком в соответствии с приведенной ниже формулой и описанием изобретения. В принципе можно создать любой дефект в твердом материале, который будет неким резонатором для кольцевой волны с радиусом r₀ и эффективной добротностью 1/a. Именно высокая добротность резонатора определяет высокую рабочую температуру конденсатора.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Согласно одному из вариантов изобретения квантовый суперконденсатор содержит по меньшей мере два электрода, промежуток между которыми заполнен наноструктурированным материалом, состоящим по крайней мере из одного кластера с туннельно прозрачным промежутком. Он характеризуется тем, что кластер имеет по меньшей мере один характерный поперечный размер, определяемый в интервале

7,2517нм

< r < 29,0068нм,

причем толщина туннельно прозрачного промежутка не превышает 7,2517нм, а расстояние между электродами превышает 7,2517нм.

В данном изобретении граничные значения определяются из формул:

r = a×r₀,

где r₀ определяют как кольцевой радиус волны электрона согласно формуле:

,

где

- постоянная Планка, m_e – масса электрона, a = 1/137,036 – постоянная тонкой структуры, с – скорость света, а – коэффициент, определяемый в пределах 1 < а < 4,

В этом изобретении кластер может быть выполнен из материала, выбранного из группы, состоящей из следующих материалов - полупроводника, проводника, сверхпроводника, высокомолекулярного органического материала (ВМОМ) или их комбинации.

В ряде случаев кластер выполняется в виде полости, с оболочкой из туннельно прозрачного слоя, состоящего из полупроводника или диэлектрика.

В одном из вариантов кластер имеет центрально симметричную форму, в других кластер может быть выполнен протяженным и иметь характерный поперечный размер, определяемый в интервале:

14.5034нм

< r < 29.0068нм

Протяженные кластеры могут располагаться вдоль оси и иметь регулярную структуру с периодом, определяемым в интервале

7,2517нм

< r < 29,0068нм

В соответствие с дальнейшим развитием изобретения множество кластеров может располагаться регулярно, по меньшей мере, в одном слое, причем промежутки между кластерами должны являться туннельно прозрачными и не превышать 7,2517нм (r₀).

Кроме этого множество кластеров с туннельно прозрачными промежутками могут располагаться регулярно в виде слоев. В одном из слоев параметры кластеров должны отличатся от параметров кластеров в соседних слоях, причем промежутки между кластерами должны быть туннельно прозрачными и не превышать 7,2517нм (r₀).

В других вариантах также множество кластеров, выполненных в виде полости с оболочкой из туннельно прозрачного слоя должны контактировать по крайней мере в двух точках полости с соседними кластерами, образуя пеноподобный материал с открытыми порами. Причем оболочка должна быть выполнена из полупроводники или из диэлектрика, или из ВМОМ, а поры могут быть заполнены или газом, или полупроводником, или диэлектриком, с отличными от материала оболочки свойствами.

Способ работы квантового суперконденсатора характеризуется тем, что приложенное электрическое поле в рабочем диапазоне напряженностей для работы конденсатора в режиме хранения не должно превышать 1,37*10⁵ V/cm. Это определяется из условия

, где , а напряженность поля в режиме заряда не должна превышать 4,11·10⁵ В/cм, соответственно из условия .

Кроме того, для надежной работы квантового суперконденсатора предельная плотность тока в нем должна быть ограничена величиной 1,02·10⁵ A/cм², определяемой из формулы

.

Способ работы конденсатора в режиме разряда характеризуется также тем, что к конденсатору через нагрузку подключают источник тока противоположного знака знаку поля конденсатора в режиме заряда. Это необходимо для того, чтобы полностью снять заряды по всей глубине конденсатора. В противном случае конденсатор разряжается частично.

В таких конденсаторах предельная рабочая частота управления квантовым суперконденсатором достигает величины

.

что особо важно для повышения быстродействия конденсаторов, используемых в памяти,

Примеры реализации этих устройств приведены ниже и изображены на чертежах.

Перечень фигур, указанных на чертежах

Фиг.1. Наноэлемент квантового суперконденсатора.

Фиг.2 Квантовый суперконденсатор с диэлектриком, состоящим из центрально-симметричных кластеров.

Фиг. 3. Квантовый суперконденсатор с диэлектриком, состоящим из осесимметричных кластеров.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлен типовой наноэлемент квантового суперкондесатора.

Здесь 1 – центрально-симметричный кластер, 2 – туннельно прозрачная оболочка.

Кроме такой конструкции кластеры могут быть и осесимметричные. Главное, чтобы выполнялись резонансные условия формирования в них кольцевой волны электрона.

На фиг.2 изображен один из вариантов квантовых суперконденсаторов согласно настоящему изобретению.

Здесь 3 и 4 – токопроводящие электроды, 5 – туннельно прозрачная оболочка кластера, 6 – центрально-симметричная полость в кластере. Полость в кластере 6 может быть заполнена соответствующим материалом или газом для создания условий формирования кольцевого резонансного электрона. Туннельно прозрачная оболочка 5 разделяет кластеры между собой и создает условия прохождения электронов в виде однородной волны от катода к аноду. Анод и катод могут меняться местами, т.е., конденсатор является не полярным.