跳动城乡网在不断追求电子设备更小、更节能的过程中，研究人员希望将能量存储直接存储到微上，从而减少在各种设备组件之间传输电力时产生的损耗。为了发挥作用，片上能量存储必须能够在非常小的空间中存储大量能量，并在需要时快速提供——现有技术无法满足这些要求。
为了应对这一挑战，劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的科学家们使用制造中已经广泛使用的材料和制造技术，在由氧化铪和氧化锆工程薄膜制成的微电容器中实现了创纪录的高能量和功率密度。该研究结果发表在《自然》杂志上，为下一代电子产品中先进的片上能量存储和电力传输铺平了道路。
伯克利实验室高级科学家、加州大学伯克利分校教授、领导这项研究的萨耶夫·萨拉胡丁(SayeefSalahuddin)表示：“我们已经证明，由工程薄膜制成的微电容器可以储存大量能量，远远超过普通电介质所能储存的能量。”项目。“更重要的是，我们正在使用一种可以直接在微处理器上处理的材料来实现这一点。”
这项研究是伯克利实验室为更小、更快、更节能的微电子技术开发新材料和技术的更广泛努力的一部分。
电容器是电路的基本元件之一，但它们也可用于存储能量。与通过电化学反应存储能量的电池不同，电容器在由介电材料分隔的两个金属板之间建立的电场中存储能量。电容器在需要时可以非常快速地放电，从而能够快速提供电力，并且它们不会因重复的充放电循环而退化，从而使它们的使用寿命比电池长得多。然而，电容器的能量密度通常比电池低得多，这意味着它们每单位体积或重量可以存储的能量更少，当您试图将它们缩小到微电容器尺寸以进行片上能量存储时，这个问题只会变得更糟。
在这里，研究人员通过精心设计HfO2-ZrO2薄膜以实现负电容效应，从而实现了破纪录的微电容器。通常，将一种介电材料分层在另一种介电材料之上会导致整体电容降低。然而，如果这些层之一是负电容材料，那么总电容实际上会增加。在早期的工作中，Salahuddin及其同事演示了使用负电容材料来生产可以在比传统MOSFET晶体管低得多的电压下工作的晶体管。在这里，他们利用负电容来生产能够存储更多电荷和能量的电容器。
晶体薄膜由HfO2和ZrO2的混合物制成，采用工业制造的标准材料和技术，通过原子层沉积生长。根据两种成分的比例，薄膜可以是铁电的，其中晶体结构具有内置电极化，或者是反铁电的，其中可以通过施加电场将结构推入极性状态。当成分调整得恰到好处时，通过对电容器充电产生的电场会在铁电和反铁电有序之间的临界点平衡薄膜，这种不稳定性会产生负电容效应，使材料很容易被极化，即使是小电场。
Salahuddin团队的博士后、该论文的主要作者之一苏拉吉·奇玛(SurajCheema)表示：“该晶胞确实希望在相变过程中极化，这有助于在电场响应时产生额外的电荷。”“这种现象是负电容效应的一个例子，但你可以将其视为一种捕获比平常更多电荷的方式。”NirmaanShanker是Salahuddin小组的研究生，也是该研究的共同主要作者。
为了扩大薄膜的能量存储能力，研究小组需要增加薄膜厚度，同时又不让它从受挫的反铁电-铁电状态中松弛下来。他们发现，通过在每隔几层HfO2-ZrO2后散布原子级薄层氧化铝，他们可以将薄膜生长至100nm厚，同时仍保留所需的性能。
最后，研究人员与麻省理工学院林肯实验室的合作者合作，将这些薄膜集成到三维微电容器结构中，在长宽比高达100:1的硅深沟槽中生长精确分层的薄膜。这些3D沟槽电容器结构用于当今的DRAM电容器，与平面电容器相比，每单位占地面积可以实现更高的电容，从而实现更大的小型化和设计灵活性。由此产生的器件的特性打破了记录：与当今最好的静电电容器相比，这些微电容器的能量密度高出九倍，功率密度高出170倍(分别为80mJ-cm-2和300kW-cm-2))。
“我们获得的能量和功率密度比我们预期的要高得多，”萨拉胡丁说。“我们多年来一直在开发负电容材料，但这些结果相当令人惊讶。”
这些高性能微电容器可以帮助满足物联网传感器、边缘计算系统和人工智能处理器等微型设备对高效、小型化能量存储日益增长的需求。研究人员目前正致力于扩大该技术并将其集成到全尺寸微中，并推动基础材料科学的发展，以进一步改善这些薄膜的负电容。
Cheema表示：“通过这项技术，我们终于可以开始实现在非常小的尺寸下在片上无缝集成能量存储和电力传输。”“它可以为微电子开辟能源技术的新领域。”
这项工作的部分工作是在分子铸造厂(分子铸造厂)进行的，这是位于伯克利实验室的美国能源部科学办公室纳米科学用户设施。
这项研究得到了能源部科学办公室、基础能源科学办公室、国防威胁降低局(DTRA)以及国防部研究与工程部长的支持。
