CientÃficos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han desarrollado microcapacitores con una densidad de energÃa y potencia ultrarrápida, abriendo el camino para el almacenamiento de energÃa en chips en dispositivos electrónicos. Muchos lectores han observado la proliferación de capacitores instalados en placas base de computadoras y otros circuitos de chips de silicio de alto consumo energético.
Los hallazgos, publicados en la revista Nature, allanan el camino para el almacenamiento avanzado de energÃa y entrega de energÃa en chips de próxima generación.
En la búsqueda constante por hacer que los dispositivos electrónicos sean cada vez más pequeños y eficientes en energÃa, los investigadores desean llevar el almacenamiento de energÃa directamente a los microchips, reduciendo las pérdidas incurridas al transportar la energÃa entre varios componentes del dispositivo. Para ser efectivo, el almacenamiento de energÃa en el chip debe poder almacenar una gran cantidad de energÃa en un espacio muy reducido y entregarla rápidamente cuando sea necesario, requisitos que no pueden cumplirse con las tecnologÃas actuales.
Abordando este desafÃo, los cientÃficos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y UC Berkeley han logrado densidades récord de energÃa y potencia en microcapacitores hechos con pelÃculas delgadas de óxido de hafnio y óxido de circonio diseñadas, utilizando materiales y técnicas de fabricación ya extendidas en la fabricación de chips.
Los microcapacitores hechos con pelÃculas diseñadas de óxido de hafnio/óxido de circonio en estructuras de condensadores de trinchera en 3D -las mismas estructuras utilizadas en microelectrónica moderna- logran un almacenamiento de energÃa y densidad de potencia récord, abriendo el camino para el almacenamiento de energÃa en el chip. Crédito de la imagen: Nirmaan Shanker/Suraj Cheema, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Haz clic en el enlace del comunicado de prensa para ver más imágenes de mayor tamaño.
Señaló Sayeef Salahuddin, cientÃfico sénior de la facultad de Berkeley Lab y profesor de UC Berkeley, quien dirigió el proyecto, "Hemos demostrado que es posible almacenar mucha energÃa en microcapacitores hechos con pelÃculas delgadas diseñadas, mucho más de lo que es posible con dieléctricos ordinarios. Además, estamos haciendo esto con un material que puede ser procesado directamente sobre microprocesadores."
Esta investigación forma parte de los esfuerzos más amplios en Berkeley Lab para desarrollar nuevos materiales y técnicas para microelectrónica más pequeña, rápida y eficiente en energÃa.
Los capacitores son uno de los componentes básicos de los circuitos eléctricos, pero también se pueden utilizar para almacenar energÃa. A diferencia de las baterÃas, que almacenan energÃa a través de reacciones electroquÃmicas, los capacitores almacenan energÃa en un campo eléctrico establecido entre dos placas metálicas separadas por un material dieléctrico. Los capacitores se pueden descargar muy rápidamente cuando se necesite, lo que les permite entregar energÃa rápidamente, y no se degradan con ciclos repetidos de carga y descarga, lo que les otorga una vida útil mucho más larga que las baterÃas. Sin embargo, los capacitores generalmente tienen densidades de energÃa mucho más bajas que las baterÃas, lo que significa que pueden almacenar menos energÃa por volumen o peso unitario, y ese problema solo empeora cuando intentas reducir su tamaño a la escala de microcapacitores para almacenamiento de energÃa en chip.
En el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, los investigadores lograron sus microcapacitores récord mediante la ingenierÃa cuidadosa de pelÃculas delgadas de HfO2-ZrO2 para lograr un efecto de capacitancia negativa. Normalmente, la superposición de un material dieléctrico sobre otro resulta en una capacitancia global más baja. Sin embargo, si una de esas capas es un material de capacitancia negativa, entonces la capacitancia global en realidad aumenta. En trabajos anteriores, Salahuddin y colegas demostraron el uso de materiales de capacitancia negativa para producir transistores que pueden funcionar a voltajes sustancialmente más bajos que los transistores MOSFET convencionales. AquÃ, utilizaron capacitancia negativa para producir capacitores capaces de almacenar mayores cantidades de carga, y por lo tanto, energÃa.
Las pelÃculas cristalinas están hechas de una mezcla de HfO2 y ZrO2 crecidas por deposición de capas atómicas, utilizando materiales estándar y técnicas de fabricación de chip industriales. Dependiendo de la proporción de los dos componentes, las pelÃculas pueden ser ferroeléctricas, donde la estructura cristalina tiene una polarización eléctrica incorporada, o antiferroeléctricas, donde la estructura puede ser empujada hacia un estado polar aplicando un campo eléctrico. Cuando la composición se ajusta adecuadamente, el campo eléctrico creado al cargar el condensador equilibra las pelÃculas en el punto de inclinación entre el orden ferroeléctrico y antiferroeléctrico, y esta inestabilidad da lugar al efecto de capacitancia negativa donde el material puede ser polarizado muy fácilmente por un pequeño campo eléctrico.
Suraj Cheema, un posdoctorado en el grupo de Salahuddin y uno de los principales autores del artÃculo, explicó, "Esa celda unitaria realmente quiere ser polarizada durante la transición de fase, lo que ayuda a producir carga extra en respuesta a un campo eléctrico. Este fenómeno es un ejemplo de un efecto de capacitancia negativa, pero se puede pensar en él como una forma de capturar mucha más carga de la que normalmente tendrÃas." Nirmaan Shanker, un estudiante de posgrado en el grupo de Salahuddin, también es coautor principal.
Para aumentar la capacidad de almacenamiento de energÃa de las pelÃculas, el equipo necesitaba aumentar el grosor de las pelÃculas sin permitir que se relajaran del estado antiferroeléctrico-ferroeléctrico frustrado. Descubrieron que intercalando capas delgadas atómicas de óxido de aluminio después de cada pocas capas de HfO2-ZrO2, podÃan hacer crecer las pelÃculas hasta 100 nm de grosor y aún retener las propiedades deseadas.
Finalmente, trabajando con colaboradores en el Laboratorio Lincoln del MIT, los investigadores integraron las pelÃculas en estructuras de microcapacitores tridimensionales, creciendo las pelÃculas con capas precisas y superpuestas en trincheras profundas cortadas en silicio con relaciones de aspecto de hasta 100:1. Estas estructuras de condensadores de trinchera en 3D se utilizan en los condensadores DRAM de hoy en dÃa y pueden lograr una capacitancia mucho más alta por unidad de superficie en comparación con los condensadores planos, lo que permite una mayor miniaturización y flexibilidad de diseño. Las propiedades de los dispositivos resultantes son excepcionales: en comparación con los mejores condensadores electrostáticos de hoy, estos microcapacitores tienen una densidad de energÃa nueve veces mayor y una densidad de potencia 170 veces mayor (80 mJ-cm-2 y 300 kW-cm-2, respectivamente).
"La energÃa y la densidad de potencia que obtuvimos son mucho más altas de lo que esperábamos," señaló Salahuddin. "Hemos estado desarrollando materiales de capacitancia negativa durante muchos años, pero estos resultados fueron bastante sorprendentes."
Estos microcapacitores de alto rendimiento podrÃan ayudar a satisfacer la creciente demanda de almacenamiento de energÃa eficiente y miniaturizado en microdispositivos como sensores de Internet de las Cosas, sistemas de computación en el borde y procesadores de inteligencia artificial. Los investigadores ahora están trabajando en escalar la tecnologÃa e integrarla en microchips de tamaño completo, además de impulsar la ciencia de materiales fundamentales para mejorar aún más la capacitancia negativa de estas pelÃculas.
Cheema agregó, "Con esta tecnologÃa, finalmente podemos comenzar a lograr el almacenamiento de energÃa y la entrega de energÃa integrados en el chip de manera muy pequeña. Puede abrir un nuevo abanico de tecnologÃas energéticas para la microelectrónica."
Partes de este trabajo se realizaron en Molecular Foundry, una instalación de usuario de nanociencia de la Oficina de Ciencia del Departamento de EnergÃa ubicada en Berkeley Lab.
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Este desarrollo para una mayor miniaturización es bastante interesante. La idea de que un chip podrÃa sustituir a toda una placa de circuito es casi una revolución en sà misma. Uno se pregunta si habrÃa algo más que ver además de las instalaciones de conexión en el chip. PodrÃa ser que solo se vea una conexión y un disipador de calor.
Es muy probable que la tecnologÃa vea una adopción en el mercado. Por ahora, hay filas de personas soldando placas de circuito en serie por millones.
Esto significa que esta tecnologÃa probablemente será mejor y más barata para los consumidores próximamente. Luego, algún dÃa acabará en un vertedero con muchos menos elementos tóxicos.
Por Brian Westenhaus via New Energy and Fuel
Brian is the editor of the popular energy technology site New Energy and Fuel. The site’s mission is to inform, stimulate, amuse and abuse the… More
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