Чиповете на бъдещето: Микрокондензатори с отрицателен капацитет увеличават мощността 170 пъти

Стремежът към по-малки и по-енергийно ефективни устройства накара изследователите да проучат възможността за интегриране на съхранението на енергия директно в микрочиповете, като по този начин се сведат до минимум загубите на енергия, които възникват при преноса на енергия между различните компоненти. Идеята не е съвсем нова, но сегашната технология се затруднява да отговори на изискванията за съхраняване на достатъчно енергия в компактно пространство, като същевременно я доставя бързо.

В тази връзка учени от Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“ и Калифорнийския университет в Бъркли са създали „микрокондензатори“, които се справят с този недостатък, както се посочва в проучване, публикувано в авторитетното списание Nature.

Тези кондензатори, изработени от конструирани тънки слоеве от хафниев оксид (HfO2) и циркониев оксид (ZrO2) използват материали и техники за производство, които обикновено се използват при производството на чипове. Това, което ги отличава е способността им да съхраняват значително повече енергия от обикновените кондензатори, благодарение на използването на материали с отрицателен капацитет.

Кондензаторите са един от основните компоненти на електрическите вериги. Те съхраняват енергия в електрическо поле, създадено между две метални плочи, разделени от диелектричен материал (неметално вещество). Те могат да доставят енергия бързо и имат по-дълъг живот от батериите, които съхраняват енергия чрез електрохимични реакции.

Тези предимства обаче се постигат за сметка на значително по-ниска плътност на енергията. Може би затова досега сме виждали само устройства с ниска мощност като мишки, захранвани с тази технология за разлика от такива като лаптоп. Освен това проблемът само се изостря при свиването им до размери на микрокондензатор за съхранение на енергия в чипа.

Изследователите преодоляват този проблем като създават тънки слоеве от HfO2-ZrO2, за да постигнат отрицателен капацитет. Чрез правилна настройка на състава те са успели да накарат материала да се поляризира лесно дори от малко електрическо поле.

За да увеличат способността на слоевете за съхранение на енергия, екипът поставя атомно тънки слоеве алуминиев оксид на всеки няколко слоя HfO2-ZrO2, което им позволява да произведат слоеве с дебелина до 100 nm, като запазват желаните свойства.

Тези слоеве били интегрирани в триизмерни микрокондензаторни структури, като постигнаха рекордни свойства: 9 пъти по-висока енергийна плътност и 170 пъти по-висока плътност на мощността в сравнение с най-добрите електростатични кондензатори днес. Това са си рекорди.

„Енергията и плътността на мощността, които получихме са много по-високи, отколкото очаквахме. Разработваме материали с отрицателен капацитет от много години, но тези резултати бяха доста изненадващи.“

казва Сайеф Салахуддин, старши научен сътрудник в лабораторията в Бъркли, професор в Калифорнийския университет в Бъркли и ръководител на проекта

Технологията би могла да помогне да се отговори на нарастващото търсене на миниатюрно съхранение на енергия в микроустройства като IoT, крайни компютърни системи и процесори за приложения с изкуствен интелект.

„С тази технология най-накрая можем да започнем да реализираме безпроблемно интегриране на съхранението на енергия и доставката на енергия в чип с много малки размери. Това може да открие нова област на енергийните технологии за микроелектрониката.“

казва Сурадж Чима, един от водещите автори на статията

Това е голям пробив, но изследователите не спират да се трудят. Сега те работят върху мащабирането на технологията и интегрирането ѝ в пълноразмерни микрочипове, като същевременно подобряват допълнително отрицателния капацитет на слоевете.