伯克利实验室开发的新型微电容器技术增强了微芯片的能量存储能力，标志着微电子技术的重大进步。信贷:SciTechDaily

　　科学家开发的新型微电容器显示出创纪录的能量和功率密度，为电子芯片上的能量存储铺平了道路nic设备。

　　研究人员正在努力通过将能量存储直接集成到微芯片上，使电子设备变得更小、更节能。这种方法最大限度地减少了当电力在不同器件组件之间传输时发生的能量损失。为了有效，芯片上的能量存储必须能够在一个紧凑的空间内存储大量的能量并快速传递。然而，现有技术无法满足这些要求。

　　微电容器的突破

　　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在克服这些挑战方面迈出了重要的一步，最近在微电容器中实现了创纪录的高能量和功率密度。这些电容器由氧化铪和氧化锆的工程薄膜制成，采用芯片制造中常见的材料和制造技术。他们的研究结果发表在《自然》杂志上，可能会彻底改变芯片上的能量存储和下一代电子产品的电力传输。

　　“我们已经证明，在由工程薄膜制成的微电容器中储存大量能量是可能的，比普通电介质所能储存的能量要多得多，”加州大学伯克利分校实验室的资深科学家、加州大学伯克利分校教授、项目负责人Sayeef Salahuddin说。“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。”这项研究是伯克利实验室开发更高效微电子新材料和新技术的更广泛努力的一部分。

　　采用工程氧化铪/氧化锆薄膜制成的三维沟槽电容器结构(与现代微电子技术中使用的结构相同)实现了创纪录的高能量存储和功率密度，为片上能量存储铺平了道路。图片来源:Nirmaan Shanker/Suraj Cheema

　　电容器的基本原理和挑战

　　电容器是电路的基本部件之一，但它们也可以用来储存能量。与通过电化学反应储存能量的电池不同，电容器在由介电材料隔开的两块金属板之间建立的电场中储存能量。电容器可以在需要时非常迅速地放电，使它们能够快速提供电力。此外，它们不会随着反复的充放电循环而退化，这使它们的寿命比电池长得多。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，而且当你试图将它们缩小到芯片上能量存储的微电容器尺寸时，这个问题只会变得更糟。

　　Sayeef Salahuddin(左)和Nirmaan Shanker在实验室里。图片来源:Marilyn Sargent/伯克利实验室

　　研究方法及结果

　　研究人员通过精心设计HfO2-ZrO2薄膜来实现负电容效应，创造了他们革命性的微电容器。通常情况下，将一种介电材料叠加在另一种材料上，会导致整体电容降低。然而，如果其中一层是负电容材料，那么整体电容实际上会增加。在早期的工作中，Salahuddin和他的同事展示了使用负电容材料来生产晶体管，这种晶体管可以在比传统的MOSFET晶体管低得多的电压下工作。在这里，他们利用负电容来生产能够存储更大量电荷的电容器，从而产生能量。

　　薄膜由HfO2和ZrO2的混合物制成，通过原子层沉积生长，使用工业芯片制造的标准材料和技术。根据这两种成分的比例，薄膜可以是铁电的，其中晶体结构具有内置的电极化，或者是反铁电的，其中结构可以通过施加电场推动进入极性状态。当组合物调整得恰到好处时，由电容器充电产生的电场在铁电和反铁电序之间的临界点上平衡薄膜，这种不稳定性产生了负电容效应，即使是很小的电场也容易使材料极化。

　　萨拉赫丁研究小组的博士后苏拉·奇马(Suraj Cheema)是这篇论文的主要作者之一，他说:“在相变过程中，这个细胞真的想要极化，这有助于产生额外的电荷，以响应电场。”“这种现象是负电容效应的一个例子，但你可以把它看作是一种比通常情况下捕获更多电荷的方式，”萨拉赫丁小组的研究生、共同主要作者尼尔曼·尚克补充说。

　　为了扩大薄膜的能量存储能力，研究小组需要增加薄膜的厚度，同时不让它从受挫的反铁电-铁电状态中放松出来。他们发现，通过在每隔几层HfO2-ZrO2之后点缀原子薄的氧化铝层，他们可以将薄膜生长到100纳米厚，同时保持所需的性能。

　　最后，研究人员与麻省理工学院林肯实验室的合作者合作，将薄膜集成到三维微电容器结构中，在硅上切割的深沟槽中生长精确分层的薄膜，其纵横比高达100:1。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，可以实现更高的单位面积电容，从而实现更大的小型化和设计灵活性。由此产生的器件的性能是破纪录的: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9倍，功率密度高170倍(分别为80 mJ-cm-2和300 kW-cm-2)。

　　“我们得到的能量和功率密度比我们预期的要高得多，”萨拉赫丁说。“多年来，我们一直在开发负电容材料，但这些结果相当令人惊讶。”

　　未来的发展方向

　　这些高性能微电容器可以帮助满足微设备(如物联网传感器、边缘计算系统和人工智能处理器)对高效、小型化能量存储日益增长的需求。研究人员现在正致力于扩大这项技术的规模，并将其集成到全尺寸的微芯片中，同时推动基础材料科学的发展，以进一步提高这些薄膜的负电容。

　　Cheema说:“有了这项技术，我们终于可以开始实现能量存储和电力传输在非常小尺寸的芯片上无缝集成。”“它可以为微电子技术开辟一个新的能源技术领域。”

　　参考文献:由Suraj S. Cheema、Nirmaan Shanker、Shang-Lin Hsu、Joseph Schaadt、Nathan M. Ellis、Matthew Cook、Ravi Rastogi、Robert C. N. Pilawa-Podgurski、Jim Ciston、Mohamed Mohamed和Sayeef Salahuddin撰写的“巨型能量存储和功率密度负电容超晶格”，2024年4月9日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07365 - 5

　　这项工作的一部分是在分子铸造厂进行的，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。该研究得到了能源部科学办公室、基础能源科学办公室、国防威胁减少局(DTRA)和国防研究与工程部长的支持。