為了追求更小、更節能的設備，研究人員開始探索將能量儲存直接整合到微晶片上，從而最大限度地減少不同組件之間傳輸能量時產生的能量損失。這種想法並不新鮮，但目前的技術還難以滿足在緊湊空間內儲存足夠能量並快速傳輸的要求。

勞倫斯柏克萊國家實驗室和加州大學柏克萊分校的科學家創造了”微型電容器”，解決了這個缺陷。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用的材料和製造技術。它們的與眾不同之處在於，由於使用了負電容材料，它們能夠儲存比普通電容器多得多的能量。

電容器是電路的基本元件之一。電容器將能量儲存在由絕緣材料（非金屬物質）隔開的兩塊金屬板之間形成的電場中。與透過電化學反應儲存能量的電池相比，電容器可以快速供電，使用壽命更長。

然而，這些優勢的代價是能源密度大大降低。也許這就是為什麼我們只見過滑鼠等低功率設備採用這種技術，而筆記型電腦卻沒有的原因。此外，如果將它們縮小到微電容大小用於片上能量存儲，問題只會更加嚴重。

研究人員透過設計HfO2-ZrO2 薄膜來實現負電容效應，從而克服了這個難題。透過對成分進行恰到好處的調整，他們能夠讓這種材料在即使很小的電場作用下也能輕鬆極化。

為了提高薄膜的儲能能力，研究小組每隔幾層HfO2-ZrO2 就放置一層原子級氧化鋁薄層，使薄膜厚度達到100 奈米，同時保持了所需的性能。

這些薄膜被整合到三維微型電容器結構中，實現了破紀錄的性能：與當今最好的靜電電容器相比，能量密度提高了9 倍，功率密度提高了170 倍。這是一個龐大的數字。

柏克萊實驗室資深科學家、加州大學柏克萊分校教授兼計畫負責人賽義夫-薩拉赫丁（Sayeef Salahuddin）說：「我們獲得的能量和功率密度遠高於我們的預期。我們多年來一直在開發負電容材料，但這些結果非常令人驚訝。

該技術有助於滿足物聯網、邊緣運算系統和人工智慧處理器等微型設備對小型化能源儲存日益增長的需求。

“有了這項技術，我們終於可以開始實現在極小尺寸的晶片上無縫集成能量存儲和電力傳輸，”論文主要作者之一蘇拉傑-切馬（Suraj Cheema）說。 “它可以開闢微電子能源技術的新領域。”

這是一項重大突破，但研究人員並沒有就此滿足。現在，他們正在努力擴大這項技術的規模，並將其整合到全尺寸微晶片中，同時進一步提高薄膜的負電容。