在不斷追求電子設(shè)備更小、更節(jié)能的過程中，科學(xué)家們正嘗試將能量存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)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(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄級(jí)別的高能量密度和功率密度，這一成果極大的推動(dòng)了片上能量存儲(chǔ)和電力傳輸領(lǐng)域的研究進(jìn)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(chǔ)能量，但與通過電化學(xué)反應(yīng)存儲(chǔ)能量的電池不同，電容器在需要時(shí)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(huì)因重復(fù)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(duì)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(chǔ)的能量更少，當(dāng)我們?cè)噲D將它們縮小到微電容器尺寸來進(jìn)行片上能量存儲(chǔ)時(shí)，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(huì)導(dǎo)致整體電容降低，但如果其中一層是負(fù)電容材料，那么整體電容實(shí)際上會(huì)增加。因此研究人員設(shè)計(jì)了HfO2-ZrO2薄膜來實(shí)現(xiàn)負(fù)電容效應(yīng)，也就變相增加了總電容，使微電容器能夠存儲(chǔ)更多電荷和能量。
同時(shí)，為了增加薄膜厚度而不削弱其負(fù)電容效應(yīng)，從而進(jìn)一步擴(kuò)大薄膜的能量存儲(chǔ)能力，研究人員每隔幾層HfO2-ZrO2薄膜就疊加一層原子級(jí)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(dāng)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(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)，意味著我們已經(jīng)可以開始著手實(shí)現(xiàn)在非常小的尺寸下的片上無縫集成能量存儲(chǔ)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(jì)算系統(tǒng)和人工智能處理器等微型設(shè)備對(duì)高效、小型化能量存儲(chǔ)日益增長的需求。