Ein Durchbruch bei Kondensatoren könnte zu Mikroelektronik mit einer 170-mal höheren Leistungsdichte führen

Im Zusammenhang mit: Die Suche nach kleineren, energieeffizienteren Geräten hat Forscher dazu veranlasst, die Integration von Energiespeichern direkt in Mikrochips zu untersuchen, um so den Leistungsverlust zu reduzieren, der bei der Leistungsübertragung zwischen verschiedenen Komponenten auftritt. Die Idee ist nicht gerade neu, aber die aktuelle Technologie hat Schwierigkeiten, die Anforderung zu erfüllen, ausreichend Energie auf kleinem Raum zu speichern und sie gleichzeitig schnell bereitzustellen.

Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory und der University of California in Berkeley haben „Mikrokondensatoren“ entwickelt, die dieses Manko beheben, wie eine Studie zeigt Stady Veröffentlicht in Nature. Diese Kondensatoren bestehen aus technisch hergestellten dünnen Schichten aus Hafniumoxid und Zirkoniumoxid und verwenden Materialien und Herstellungstechniken, die üblicherweise in der Chipherstellung verwendet werden. Was sie von anderen unterscheidet, ist ihre Fähigkeit, dank der Verwendung von Materialien mit negativer Kapazität viel mehr Energie zu speichern als herkömmliche Kondensatoren.

Kondensatoren gehören zu den Grundbestandteilen elektrischer Schaltkreise. Es speichert Energie in einem elektrischen Feld, das zwischen zwei Metallplatten erzeugt wird, die durch ein isolierendes Material (nichtmetallisches Material) getrennt sind. Sie können schnell Strom liefern und haben eine längere Lebensdauer als Batterien, die Energie in elektrochemischen Reaktionen speichern.

Diese Vorteile gehen jedoch mit einer deutlich geringeren Energiedichte einher. Vielleicht haben wir deshalb nur Geräte mit geringem Stromverbrauch gesehen, wie etwa Mäuse, die mit dieser Technologie betrieben werden, im Gegensatz zu so etwas wie einem Laptop. Darüber hinaus wird das Problem nur noch schlimmer, wenn man es auf Mikrokondensatorgrößen für die Energiespeicherung auf dem Chip herunterskaliert.

Die Forscher überwanden dieses Problem, indem sie dünne HfO2-ZrO2-Filme entwickelten, um einen negativen Kapazitätseffekt zu erzielen. Durch die richtige Einstellung der Zusammensetzung konnten sie das Material selbst bei einem kleinen elektrischen Feld leicht polarisierbar machen.

Um die Energiespeicherkapazität der Filme zu erhöhen, schichtete das Team alle paar Schichten HfO2-ZrO2 atomar dünne Schichten aus Aluminiumoxid auf, sodass Filme mit einer Dicke von bis zu 100 Nanometern wachsen konnten und gleichzeitig die gewünschten Eigenschaften erhalten blieben.

Diese Filme wurden in 3D-Mikrokondensatorstrukturen eingebettet und erreichten rekordverdächtige Eigenschaften: neunmal höhere Leistungsdichte und 170-mal höhere Leistungsdichte im Vergleich zu den heute besten elektrostatischen Kondensatoren. es ist riesig.

„Die Energie und Energiedichte, die wir erhalten haben, ist viel höher als wir erwartet hatten“, sagte Saif Salah El-Din, leitender Wissenschaftler am Berkeley Lab, Professor an der UC Berkeley und Leiter des Projekts. „Wir entwickeln seit vielen Jahren Materialien mit negativer Kapazität, aber diese Ergebnisse waren sehr überraschend.“

Diese Technologie könnte dazu beitragen, den wachsenden Bedarf an miniaturisierter Energiespeicherung in Mikrogeräten wie dem Internet der Dinge, Edge-Computing-Systemen und Prozessoren für künstliche Intelligenz zu decken.

„Mit dieser Technologie können wir endlich beginnen, eine kompakte On-Chip-Energiespeicherung und Leistungsbereitstellung in sehr kleinen Volumina zu erreichen“, sagte Suraj Cheema, einer der Hauptautoren des Papiers. „Es könnte eine neue Welt der Energietechnologien für die Mikroelektronik eröffnen.“

Es ist ein großer Erfolg, aber die Forscher ruhen sich noch nicht auf ihren Lorbeeren aus. Sie arbeiten nun daran, die Technologie zu skalieren und in Mikrochips voller Größe zu integrieren und gleichzeitig die passive Kapazität der Membranen weiter zu verbessern.