Многослойные керамические конденсаторы (МКК) — крошечные, но незаменимые компоненты в вашем смартфоне, ноутбуке, телевизоре и даже автомобиле. Внутри них — чередующиеся слои особой керамики и электродов. Эта керамика — не просто инертный материал: в ней есть микроскопические области (домены), где электрические заряды выстроены в разных направлениях. Границы между этими областями — настоящая загадка. Там скапливаются компенсирующие заряды, которые влияют на то, как конденсатор проводит ток, переключается под напряжением и, в конечном счете, насколько надежно он работает. Но разглядеть эти заряды на наноуровне раньше не удавалось — они слишком малы.

Группа ученых под руководством доктора Т. Секи из Токийского университета совершила прорыв. С помощью сверхточного электронного микроскопа они впервые увидели не только атомную структуру доменов, но и распределение зарядов на их границах — с точностью до пикометра (это в тысячу раз меньше нанометра). Это как рассмотреть пылинку на поверхности Луны. Теперь можно изучать, как домены перестраиваются под напряжением и почему возникают утечки тока.

Результаты опубликованы в Science Advances.

Исследование — часть проекта SHIBATA, где разрабатывают микроскоп нового поколения. Он сможет одновременно показывать и расположение атомов, и электромагнитные поля в материале — даже при экстремальных температурах.

Прямое наблюдение зарядов на границах доменов — это ключ к созданию более емких и миниатюрных конденсаторов. Сейчас инженеры часто работают методом проб и ошибок: меняют состав керамики, но не понимают, как именно это повлияет на границы доменов. С новым методом можно будет:

• Увеличить емкость МКК без роста их размеров — критично для компактной электроники.
• Снизить энергопотери — например, уменьшить нагрев конденсаторов в мощных системах.
• Повысить надежность — предсказывать, где и почему возникают утечки тока.

В перспективе это ускорит развитие 5G-устройств, электромобилей и гибкой электроники.

Отметим, что метод требует дорогостоящего оборудования и сложной подготовки образцов. Вряд ли он станет рутинным инструментом на производстве в ближайшие годы. Кроме того, исследование проводилось в идеализированных лабораторных условиях — как поведет себя керамика в реальных устройствах под длительной нагрузкой, пока неясно.

Ранее ученые открыли метод проверки конденсаторов на микротрещины.