晶片上的儲能裝置必須能夠在緊湊的空間內儲存大量能量並快速輸出，這樣才能發揮有效作用。然而，現有技術無法滿足這些要求。研究人員正努力透過將能量儲存直接整合到微晶片上，使電子設備更小、更節能。這種方法最大限度地減少了不同設備組件之間傳輸電能時產生的能量損失。

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微型電容器技術的突破

勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）和加州大學柏克萊分校的科學家在克服這些挑戰方面邁出了重要一步，最近在微型電容器中實現了創紀錄的高能量和高功率密度。這些電容器由氧化鉿和氧化鋯的工程薄膜製成，採用了晶片製造中常見的材料和製造技術。他們的研究成果發表在《自然》（Nature）雜誌上，可徹底改變下一代電子產品的片上能量儲存和電力傳輸。

柏克萊實驗室資深科學家、加州大學柏克萊分校教授兼專案負責人賽義夫-薩拉赫丁（Sayeef Salahuddin）表示：”我們已經證明，在由工程薄膜製成的微型電容器中儲存大量能量是可能的，比普通電介質儲存的能量多得多。

這項研究是伯克利實驗室為開發更有效率的微電子學新材料和新技術所做的更廣泛努力的一部分。

在三維溝槽電容器結構中使用工程氧化鉿/氧化鋯薄膜製成的微型電容器–與現代微電子中使用的結構相同–實現了創紀錄的高能量存儲和功率密度，為片上能量存儲舖平了道路。圖片來源：Nirmaan Shanker／Suraj Cheema

電容器基礎知識與挑戰

電容器是電路的基本元件之一，但也可用於儲存能量。與透過電化學反應儲存能量的電池不同，電容器透過在兩塊被絕緣材料隔開的金屬板之間建立的電場儲存能量。在需要時，電容器可以快速放電，從而可以快速供電。此外，電容器不會因反覆充放電循環而老化，因此壽命比電池長很多。不過，電容器的能量密度通常比電池低得多，這意味著它們在單位體積或重量上可儲存的能量更少，而當試圖將它們縮小到微型電容器大小用於片上能量儲存時，這個問題只會變得更糟。

Sayeef Salahuddin（左）和Nirmaan Shanker 在實驗室。圖片來源：Marilyn Sargent/柏克萊實驗室

研究方法和結果

研究人員透過精心設計HfO2-ZrO2薄膜來實現負電容效應，從而製造出革命性的微型電容器。通常情況下，將一種介電材料層疊在另一種介電材料之上會導致整體電容降低。但是，如果其中一層是負電容材料，那麼整體電容實際上會增加。在先前的研究中，薩拉赫丁及其同事展示了利用負電容材料生產電晶體的方法，這種電晶體的工作電壓大大低於傳統的MOSFET 電晶體。在這裡，他們利用負電容生產了能夠儲存更多電荷的電容器，因此也儲存了更多能量。

這些薄膜由HfO2和ZrO2混合製成，並採用工業晶片製造的標準材料和技術進行原子層沉積。根據這兩種成分的比例，薄膜可以是鐵電性的，即晶體結構具有內置的電極化；也可以是反鐵電性的，即通過施加電場可以使晶體結構進入極化狀態。當成分調整得恰到好處時，電容器充電所產生的電場會使薄膜在鐵電和反鐵電秩序之間的臨界點達到平衡，這種不穩定性會產生負電容效應，即使很小的電場也能輕易地使材料極化。

薩拉赫丁課題組的博士後、論文的主要作者之一蘇拉傑-切馬（Suraj Cheema）說：”在相變過程中，單元格確實希望被極化，這有助於在電場作用下產生額外的電荷。

為了提高薄膜的儲能能力，研究團隊需要增加薄膜厚度，同時又不使其鬆弛出受挫反鐵電-鐵電狀態。他們發現，透過在每隔幾層HfO2-ZrO2 後穿插原子級氧化鋁薄層，可以將薄膜厚度增加到100 奈米，同時保持所需的特性。

最後，研究人員與麻省理工學院林肯實驗室的合作者合作，將薄膜整合到三維微型電容器結構中，在矽片上切割的深溝中生長精確分層的薄膜，長寬比高達100:1 。這些三維溝槽電容器結構可用於當今的DRAM 電容器，與平面電容器相比，其單位面積電容要高得多，從而實現了更大的微型化和設計靈活性。由此產生的裝置具有破紀錄的特性：與當今最好的靜電電容器相比，這些微型電容器的能量密度高出9 倍，功率密度高出170 倍（分別為80 mJ-cm-2 和300 kW -cm-2）。

薩拉赫丁說：”我們獲得的能量和功率密度遠高於我們的預期。多年來，我們一直在開發負電容材料，但這些結果令人十分驚訝。”

未來發展方向

這些高效能微電容器有助於滿足物聯網感測器、邊緣運算系統和人工智慧處理器等微型設備對高效能、微型化能源儲存日益增長的需求。研究人員目前正在努力擴大技術規模，將其整合到全尺寸微晶片中，並推動基礎材料科學的發展，以進一步提高這些薄膜的負電容。

“有了這項技術，我們終於可以開始實現在晶片上無縫整合極小尺寸的能量儲存和電力傳輸，”Cheema 說。 “它可以開闢微電子能源技術的新領域。”

編譯來源：ScitechDaily