Американские исследователи представили новый микроконденсатор, превышающий существующие устройства в 9 раз по плотности энергии и в 170 — по плотности мощности. В углублениях кремния ученые разместили толстые кристаллические пленки из оксида гафния и оксида циркония. Они достигли эффекта отрицательной емкости, и материал легко поддается поляризации даже небольшим электрическим полем. Результаты позволят обеспечить процессоры ИИ эффективными миниатюрными накопителями энергии и открыть новую область микроэлектроники. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Ученые постоянно стремятся сделать электронные устройства компактнее и энергоэффективнее. Для этого они хотят разместить накопители энергии на самих микрочипах, что снизит потери, возникающие при передаче энергии между разными компонентами устройства. Встроенные накопители энергии должны быть способны хранить большое количество энергии в очень небольшом пространстве и быстро доставлять ее при необходимости. Все это невозможно исполнить с помощью существующих технологий.
Американские ученые решили повысить эффективность электронных устройств через конденсаторы — основные компоненты электрических цепей, которые также могут использоваться для накопления энергии. В отличие от аккумуляторов, собирающих энергию через электрохимические реакции, конденсаторы накапливают ее в электрическом поле, созданном между двумя металлическими пластинами. При необходимости конденсаторы могут быстро разряжаться или не разряжаться вообще, из-за чего они служат намного дольше, чем аккумуляторы. Однако, как правило, конденсаторы обладают гораздо меньшей плотностью энергии, чем батареи. Эта проблема усугубляется при попытке уменьшить компоненты.
Исследователи создали рекордные микроконденсаторы и достигли эффекта отрицательной емкости. Обычно наложение одного диэлектрического материала на другой приводит к общему снижению емкости. Однако если один из этих слоев — материал с отрицательной емкостью, то общая емкость увеличивается. Поэтому методом атомно-слоевого осаждения ученые вырастили смеси оксида гафния и оксида циркония (HfO2 и ZrO2) и на их основе изготовили кристаллические пленки. В зависимости от соотношения этих смесей пленки могут быть сегнетоэлектрическими — когда кристаллическая структура имеет встроенную электрическую поляризацию — или антисегнетоэлектрическими, когда структура может переводиться в полярное состояние с помощью приложения электрического поля. При правильном соотношении электрическое поле, создаваемое зарядом конденсатора, уравновешивает пленки между сегнето- и антисегнетоэлектрическим состоянием. Из-за этого возникает эффект отрицательной емкости, и материал легко поддается поляризации даже небольшим электрическим полем.
Чтобы увеличить способность пленок накапливать энергию, команда увеличила толщину пленки. Ученые добавляли атомарно тонкие слои оксида алюминия после нескольких слоев HfO2-ZrO2 и таким образом выращивали пленки толщиной до 100 нанометров, сохраняя при этой нужные электрические свойства. Затем исследователи интегрировали пленки в трехмерные структуры микроконденсаторов. Многослойные пленки разместились в глубоких ямках, вырезанных в кремнии, с соотношением сторон до 100:1.
Устройство обладает рекордными свойствами: оно в 9 раз превышает лучшие на сегодняшний день электростатические конденсаторы по плотности энергии и в 170 — по плотности мощности (80 МДж/см2 и 300 кВт/см2 соответственно). Высокопроизводительные микроконденсаторы могут удовлетворить спрос на эффективные миниатюрные накопители энергии в вычислительных системах и процессорах ИИ. Сегодня исследователи работают над масштабированием технологии и ее интеграцией в полноразмерные микрочипы.
«С помощью этой технологии мы, наконец, можем приступить к созданию систем хранения и подачи энергии, которые легко интегрируются в чипы очень малых размеров. Это может открыть новую область энергетических технологий для микроэлектроники», — рассказал Сурадж Чима, ведущий автор исследования из Калифорнийского университета.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
