В стремлении к созданию более компактных и энергоэффективных устройств исследователи работают над интеграцией систем хранения энергии непосредственно на микрочипы, что позволяет минимизировать потери энергии при передаче между компонентами. Научные сотрудники Лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Беркли разработали “микроконденсаторы”, которые решают эту проблему.
Созданные из тонких плёнок оксида гафния и оксида циркония, эти конденсаторы используют материалы и методы производства, которые уже применяются в изготовлении чипов. Уникальность новых микроконденсаторов заключается в способности накапливать значительно больше энергии благодаря использованию материалов с отрицательной ёмкостью.
Конденсаторы являются основными компонентами электрических цепей, которые накапливают энергию в электрическом поле между двумя металлическими пластинами, разделёнными диэлектриком. Они способны быстро отдавать энергию и имеют больший срок службы по сравнению с батареями. Однако традиционные конденсаторы обладают низкой плотностью энергии, что ограничивало их использование в высокомощных устройствах.
Исследователи преодолели эти ограничения, разработав тонкие плёнки HfO2-ZrO2 с эффектом отрицательной ёмкости. Оптимизировав состав, они добились лёгкой поляризации материала даже небольшим электрическим полем. Для увеличения ёмкости плёнок команда добавила атомарно тонкие слои оксида алюминия через несколько слоёв HfO2-ZrO2, что позволило увеличить толщину плёнок до 100 нм, сохраняя желаемые свойства.
Эти плёнки были интегрированы в трёхмерные структуры микроконденсаторов, достигнув рекордных показателей: плотность энергии в девять раз выше и плотность мощности в 170 раз выше по сравнению с лучшими электростатическими конденсаторами. Такие достижения открывают новые возможности для миниатюризации систем хранения энергии в микроприборах, таких как устройства интернета вещей (IoT), системы периферийных вычислений и процессоры искусственного интеллекта.
Следующим этапом работы исследователей станет масштабирование технологии и интеграция её в полноценные микрочипы с дальнейшим улучшением отрицательной ёмкости плёнок.