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在不斷追求電子設(shè)備更小、更節(jié)能的過程中，科學家們正嘗試將能量存儲集成到微芯片中，以減少能量在設(shè)備組件間傳輸產(chǎn)生的損耗。
近日，美國勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校的研究人員使用芯片制造中已被廣泛使用的材料和技術(shù)，在HfO2-ZrO2(氧化鉿和氧化鋯)薄膜制成的微電容器中實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄級別的高能量密度和功率密度，這一成果極大的推動了片上能量存儲和電力傳輸領(lǐng)域的研究進程。


微電容器結(jié)構(gòu)
電容器作為電路的基本元件之一，也可用于存儲能量，但與通過電化學反應(yīng)存儲能量的電池不同，電容器在需要時可以非常快速地放電，從而能夠快速提供電力，并且它們不會因重復的充放電循環(huán)而退化，從而使它們的使用壽命比電池長得多。不過相對來說，電容器的能量密度通常要比電池低得多，這意味著它們每單位體積或重量可以存儲的能量更少，當我們試圖將它們縮小到微電容器尺寸來進行片上能量存儲時，這一問題尤為明顯。
通常情況下，在一種介電材料上疊加另一種介電材料會導致整體電容降低，但如果其中一層是負電容材料，那么整體電容實際上會增加。因此研究人員設(shè)計了HfO2-ZrO2薄膜來實現(xiàn)負電容效應(yīng)，也就變相增加了總電容，使微電容器能夠存儲更多電荷和能量。
同時，為了增加薄膜厚度而不削弱其負電容效應(yīng)，從而進一步擴大薄膜的能量存儲能力，研究人員每隔幾層HfO2-ZrO2薄膜就疊加一層原子級的薄層氧化鋁，最終成功讓薄膜增長至100nm厚，并且還能保留所需的性能。將這些薄膜集成到3D微電容器結(jié)構(gòu)中，并將其用于目前已有的DRAM電容器，與當今最好的靜電電容器相比，這些微電容器的能量密度要高出9倍，功率密度要高出170倍。
據(jù)悉，這項技術(shù)的出現(xiàn)，意味著我們已經(jīng)可以開始著手實現(xiàn)在非常小的尺寸下的片上無縫集成能量存儲和電力傳輸，而這些高性能微電容器可以幫助滿足物聯(lián)網(wǎng)傳感器、邊緣計算系統(tǒng)和人工智能處理器等微型設(shè)備對高效、小型化能量存儲日益增長的需求。