Abboneer op Dagelijkse nieuwsupdates van CleanTechnica Op e-mail. of Volg ons op Google Nieuws!
Wetenschappers hebben microcondensatoren ontwikkeld met superieur vermogen en vermogensdichtheid, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor energieopslag op de chip in elektronische apparaten.
In de voortdurende zoektocht om elektronische apparaten kleiner en energiezuiniger te maken, willen onderzoekers energieopslag rechtstreeks naar microchips brengen, waardoor verliezen bij het overbrengen van stroom tussen verschillende apparaatcomponenten worden verminderd. Om energieopslag op een chip effectief te laten zijn, moet het in staat zijn een grote hoeveelheid energie op te slaan in een zeer kleine ruimte en deze snel te leveren wanneer dat nodig is – eisen waaraan met de huidige technologieën niet kan worden voldaan.
Om deze uitdaging aan te gaan, hebben wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en de University of California in Berkeley recordhoge niveaus van vermogen en vermogensdichtheid bereikt in microcondensatoren gemaakt van speciaal ontworpen dunne films van hafniumoxide en zirkoniumoxide, met behulp van materialen en fabricage technieken die al in de chipindustrie worden toegepast. . De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, maken de weg vrij voor geavanceerde energieopslag en stroomtoevoer op de chip naar de volgende generatie elektronica.
“We hebben aangetoond dat het mogelijk is om veel energie op te slaan in microcondensatoren gemaakt van dunne films, veel meer dan mogelijk is met gewone diëlektrica”, zegt Saif Salah El-Din, senior wetenschapper aan de faculteit Berkeley Lab en hoogleraar. aan de Universiteit van Californië, Berkeley. project. “Bovendien doen we dat met een materiaal dat direct op een microprocessor kan worden verwerkt.”
Dit onderzoek maakt deel uit van bredere inspanningen van Berkeley Lab om nieuwe materialen en technologieën te ontwikkelen voor kleinere, snellere en energiezuinigere micro-elektronica.
“We hebben laten zien dat het mogelijk is om veel energie op te slaan in microcondensatoren gemaakt van dunne films, veel meer dan mogelijk is met gewone diëlektrica.” – Saif Saladin
Condensatoren zijn een van de basiscomponenten van elektrische circuits, maar kunnen ook worden gebruikt om energie op te slaan. In tegenstelling tot batterijen, die energie opslaan via elektrochemische reacties, slaan condensatoren energie op in een elektrisch veld dat wordt gecreëerd tussen twee metalen platen, gescheiden door isolatiemateriaal. Condensatoren kunnen zeer snel ontladen wanneer dat nodig is, waardoor ze snel stroom kunnen leveren, en ze gaan niet achteruit bij herhaalde laad-ontlaadcycli, waardoor ze een veel langere levensduur hebben dan batterijen. Condensatoren hebben echter over het algemeen een veel lagere energiedichtheid dan batterijen, wat betekent dat ze minder energie per volume- of gewichtseenheid kunnen opslaan, en dit probleem wordt nog erger als je ze probeert te verkleinen tot het formaat van een kleine condensator voor energie op de chip. opslag.
Hier bereiken onderzoekers een recordbrekende microcondensator door zorgvuldig dunne films van HfO2-ZrO2 te ontwerpen om een negatief capaciteitseffect te bereiken. Doorgaans resulteert het plaatsen van het ene isolatiemateriaal op het andere in een lagere totale capaciteit. Als een van deze lagen echter een materiaal met een negatieve capaciteit is, neemt de totale capaciteit feitelijk toe. In eerder werk demonstreerden Saladin en collega's het gebruik van materialen met negatieve capaciteit om transistors te produceren die op veel lagere spanningen kunnen werken dan conventionele MOSFET's. Hier hebben ze de negatieve capaciteit benut om condensatoren te produceren die grotere hoeveelheden lading, en dus energie, kunnen opslaan.
Kristallijne films worden gemaakt van een mengsel van HfO2 en ZrO2, gegroeid door afzetting van atomaire lagen, met behulp van standaardmaterialen en technieken uit de industriële chipproductie. Afhankelijk van de verhouding tussen de twee componenten kunnen films ferro-elektrisch zijn, waarbij de kristallijne structuur ingebouwde elektrische polarisatie heeft, of antiferro-elektrisch, waarbij de structuur in een polaire toestand kan worden gedreven door het aanleggen van een elektrisch veld. Wanneer de combinatie correct is ingesteld, stabiliseert het elektrische veld dat wordt gegenereerd door het opladen van de condensator de films op het overgangspunt tussen het ferro-elektrische en antiferro-elektrische regime, en deze instabiliteit geeft aanleiding tot een negatief capaciteitseffect waardoor het materiaal zeer gemakkelijk kan worden gepolariseerd, zelfs door een kleine hoeveelheid elektrisch veld.
“Deze eenheidscel wil tijdens de transitie echt gepolariseerd zijn, wat helpt bij het produceren van extra lading als reactie op het elektrische veld”, zegt Suraj Cheema, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Saladin en een van de hoofdauteurs van het artikel. “Dit fenomeen is een voorbeeld van een negatief capaciteitseffect, maar je kunt het zien als een manier om meer lading op te pikken dan je normaal zou doen.” Nirman Shankar, een afgestudeerde student in de groep van Salahuddin, is co-hoofdauteur.
Om de energieopslagcapaciteit van de films te vergroten, moest het team de dikte van de film vergroten zonder deze te laten ontspannen voorbij de gefrustreerde antiferro-elektrische toestand. Ze ontdekten dat ze, door na elke paar lagen HfO2-ZrO2 atomair dunne lagen aluminiumoxide te sputteren, films tot 100 nanometer dik konden produceren met behoud van de gewenste eigenschappen.
Ten slotte verwerkten de onderzoekers, in samenwerking met medewerkers van het Lincoln Laboratory van MIT, de films in 3D-microcondensatorstructuren, waarbij de dunne lagen van de films groeiden in diepe geulen die in silicium waren gesneden met aspectverhoudingen tot 100:1. Deze 3D-geulcondensatorstructuren worden gebruikt in de huidige DRAM-condensatoren en kunnen een veel hogere capaciteit per oppervlakte-eenheid bereiken dan vlakke condensatoren, waardoor een grotere miniaturisatie en ontwerpflexibiliteit mogelijk zijn. De kenmerken van de resulterende apparaten breken records: Vergeleken met de beste elektrostatische condensatoren van vandaag hebben deze microcondensatoren een negen keer hogere vermogensdichtheid en een 170 keer hogere vermogensdichtheid (respectievelijk 80 mJ-cm2 en 300 kW-cm2). ).
“De energie en energiedichtheid die we hebben is veel hoger dan we hadden verwacht,” zei Saladin. “We ontwikkelen al jaren materialen met een negatieve capaciteit, maar deze resultaten waren zeer verrassend.”
Deze krachtige microcondensatoren kunnen helpen voldoen aan de groeiende vraag naar efficiënte, geminiaturiseerde energieopslag in microapparaten zoals IoT-sensoren, edge computing-systemen en AI-processors. Onderzoekers werken er nu aan om de technologie op te schalen en te integreren in microchips op ware grootte, en om de fundamentele materiaalwetenschap vooruit te helpen om de passieve capaciteit van deze films verder te verbeteren.
“Met deze technologie kunnen we eindelijk beginnen met het realiseren van naadloos geïntegreerde energieopslag en stroomlevering op de chip, bij zeer kleine volumes”, aldus Cheema. “Het zou een nieuwe wereld van energietechnologieën voor de micro-elektronica kunnen openen.”
Delen van dit werk werden uitgevoerd in de Molecular Foundry, een DOE-gebruikersfaciliteit voor nanowetenschappen in Berkeley Lab.
Dit onderzoek werd ondersteund door het Office of Science van het Department of Energy, het Office of Basic Energy Sciences, het Defense Threat Reduction Agency (DTRA) en de minister van Defensie voor Onderzoek en Engineering.
Geschreven door Alison Hutt, Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium
Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium Berkeley Lab zet zich in voor het bieden van oplossingen voor de mensheid door onderzoek naar schone energie, een gezonde planeet en ontdekkingswetenschap. Berkeley Lab en zijn wetenschappers, opgericht in 1931 vanuit de overtuiging dat grote problemen het beste in teams kunnen worden opgelost, zijn geëerd met 16 Nobelprijzen. Onderzoekers van over de hele wereld vertrouwen op de wetenschappelijke faciliteiten van wereldklasse van het laboratorium om hun baanbrekende onderzoek uit te voeren. Berkeley Lab is een nationaal laboratorium met meerdere programma's dat wordt beheerd door de Universiteit van Californië voor het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie.
DOE's Office of Science is de grootste voorstander van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten en werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente uitdagingen van onze tijd. Bezoek de website voor meer informatie power.gov/science.
Heeft u een tip voor CleanTechnica? Wilt u adverteren? Wilt u een gast voorstellen voor onze CleanTech Talk-podcast? Neem hier contact met ons op.
Nieuwste CleanTechnica.TV-video
CleanTechnica maakt gebruik van affiliatielinks. Zie ons beleid hier.