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劳伦斯·伯克利国家实验室的科学家们已经研发出具有超高能量和功率密度的微型电容器，为电子设备中的芯片提供了储能的可能性。许多读者已经看到了安装在计算机主板和其他功耗硅芯片电路板上的电容器。
这项研究成果发表在《自然》杂志上，为下一代电子产品中的先进芯片储能和功率传递铺平了道路。
在不断追求使电子设备变得更小、更节能的过程中，研究人员希望将能量储存直接放在微芯片上，减少在各种设备组件之间输送电力时产生的损耗。要想实现有效的芯片上能量储存，必须能够在非常有限的空间内存储大量能量，并在需要时快速释放 - 这是现有技术无法满足的需求。
为了解决这一挑战，伯克利国家实验室（Berkeley Lab）和加州大学伯克利分校的科学家在利用已在芯片制造中广泛采用的材料和制造技术制造的氧化铪和氧化锆薄膜制造的微型电容器中实现了创纪录的高能量和功率密度。
利用工程化的氧化铪/氧化锆薄膜制造的微型电容器，采用3D沟槽电容器结构 - 这与现代微电子中使用的结构相同 - 实现了创纪录的储能和功率密度，为芯片上的能量储存铺平了道路。图片来源：劳伦斯·伯克利国家实验室的Nirmaan Shanker/Suraj Cheema。 点击新闻发布链接查看更多大图。
领导该项目的劳伦斯·伯克利国家实验室高级科学家、加州大学伯克利分校教授Sayeef Salahuddin解释说：“我们已经证明，利用工程化薄膜制造的微型电容器可以存储大量电能，远远超出普通介电体所能实现的范围。更重要的是，我们正在使用一种材料，可以直接加工在微处理器的顶部。”
这项研究是伯克利国家实验室在开发新材料和技术以打造更小、更快和更节能微电子方面的广泛努力的一部分。
电容器是电路中的基本组件之一，但它们也可以用于储存能量。与电池不同，电容器通过两个被介电材料隔开的金属板之间建立的电场来储存能量。电容器在需要时可以非常快速地放电，使其能够快速供电，并且它们不会因为重复的充放电循环而损坏，寿命比电池长得多。然而，电容器通常比电池拥有更低的能量密度，这意味着它们每单位体积或重量可以存储的能量更少，当你试图将它们缩小到微型电容器的尺寸以进行芯片上的能量储存时，这个问题会变得更加严重。
在劳伦斯·伯克利国家实验室，研究人员通过精心设计氧化铪氧化锆薄膜，实现了较低电容效应的记录。通常，将一种介电材料叠加在另一种上会导致总电容降低。然而，如果其中一层是负电容材料，那么总电容实际上会增加。在早期工作中，Salahuddin等人证明了使用负电容材料制造的晶体管可以在比传统金属氧化物半导体场效应晶体管低得多的电压下工作。在这里，他们利用负电容来制造可以存储更多电荷和因此能量的电容器。
这些晶体薄膜采用了由原子层沉积生长的HfO2和ZrO2混合物，使用了工业芯片制造中的标准材料和技术。根据两种成分的比例，这些薄膜可以是铁电性的，其中晶体结构具有固有的电极化性，也可以是反铁电性的，其中结构可以通过施加电场被推入极化状态。当成分调节得恰到好处时，通过给电容器充电产生的电场平衡了处于铁电性和反铁电性秩序之间的薄膜，这种不稳定性产生了负电容效应，其中材料可以非常容易地受到甚至是微小的电场极化。
Sayeed团队的博士后研究员Suraj Cheema，也是论文的一位主要作者，解释说：“该单元晶胞在相变过程中确实希望极化，从而在响应电场时产生额外的电荷。这种现象是负电容效应的一个例子，但可以将其视为一种捕获比通常更多的电荷的方式。”Nirmaan Shanker，参加Salahuddin小组的研究生，也是共同主要作者之一。
为了扩大薄膜的能量储存能力，团队需要增加薄膜的厚度，而不让其在受挫的反铁电性 - 铁电性状态下松弛。他们发现，通过在每几层HfO2-ZrO2之后夹杂原子薄层氧化铝，他们可以生长到100纳米厚的薄膜，同时保持所需的性能。
最后，与麻省理工学院林肯实验室的合作者合作，研究员将这些薄膜集成到三维微型电容器结构中，在硅中切割出的深沟中生长精确堆叠的薄膜，其长宽比达到100∶1。这些3D沟槽电容器结构用于今天的DRAM电容器，可以实现比平面电容器更高的单位占地面积电容，实现更大的微型化和设计灵活性。所得设备的性能刷新纪录：与今天最好的静电电容器相比，这些微型电容器的能量密度高出九倍，功率密度高出170倍（分别为80 mJ-cm-2和300 kW-cm-2）。
Salahuddin指出：“我们获得的能量和功率密度远高于预期。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。”
这种高性能的微型电容器可以帮助满足对微电子设备中高效、微型化能量存储的日益增长需求，如物联网传感器、边缘计算系统和人工智能处理器等。研究人员现在正努力扩大这项技术并将其整合到全尺寸微芯片中，并推动基础材料科学的进步，以进一步改善这些薄膜的负电容。
Cheema补充道：“有了这项技术，我们终于可以开始在非常小的尺寸中实现能量存储和供电的无缝集成。这可以为微电子领域的能源技术开辟新领域。”
部分工作是在分子铸造实验室进行的，这是一个由美国能源部科学办公室设在伯克利实验室的纳米科学用户设施。
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这对于更小型化的发展来说非常有趣。芯片可以替代整块电路板的概念本身几乎就是一场革命。人们可能只会看到芯片上的连接设施，也许只有一个连接部和一个散热片。
这项技术很可能会得到市场的接受。目前，有成千上万的人在像流水线一样焊接电路板。
这意味着这项技术很可能会更好、更便宜地很快面向消费者。然后，迟早将会将其带到垃圾填埋场，而其中毒元素也会减少得多。
来源：Brian Westenhaus，通过 新能源和燃料
