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电容器领域的重大突破将带来功率密度提高170倍的微电子技术

文章来源：新能源网更新时间：2024-06-24 15:23:46

为了追求更小、更节能的设备，研究人员开始探索将能量存储直接集成到微芯片上，从而最大限度地减少不同组件之间传输能量时产生的能量损失。这种想法并不新鲜，但目前的技术还难以满足在紧凑空间内存储足够能量并快速传输的要求。

劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家们创造出了"微型电容器"，解决了这一缺陷。这些电容器由氧化铪和氧化锆的工程薄膜制成，采用了芯片制造中常用的材料和制造技术。它们的与众不同之处在于，由于使用了负电容材料，它们能够存储比普通电容器多得多的能量。

电容器是电路的基本元件之一。电容器将能量储存在由绝缘材料（非金属物质）隔开的两块金属板之间形成的电场中。与通过电化学反应储存能量的电池相比，电容器可以快速供电，使用寿命更长。

然而，这些优势的代价是能源密度大大降低。也许这就是为什么我们只见过鼠标等低功率设备采用这种技术，而笔记本电脑却没有的原因。此外，如果将它们缩小到微电容大小用于片上能量存储，问题只会更加严重。

研究人员通过设计 HfO2-ZrO2 薄膜来实现负电容效应，从而克服了这一难题。通过对成分进行恰到好处的调整，他们能够让这种材料在即使很小的电场作用下也能轻松极化。

为了提高薄膜的储能能力，研究小组每隔几层 HfO2-ZrO2 就放置一层原子级氧化铝薄层，从而使薄膜厚度达到 100 纳米，同时保持了所需的性能。

这些薄膜被集成到三维微型电容器结构中，实现了破纪录的性能：与当今最好的静电电容器相比，能量密度提高了 9 倍，功率密度提高了 170 倍。这是一个巨大的数字。

伯克利实验室资深科学家、加州大学伯克利分校教授兼项目负责人赛义夫-萨拉赫丁（Sayeef Salahuddin）说："我们获得的能量和功率密度远远高于我们的预期。我们多年来一直在开发负电容材料，但这些结果非常令人惊讶。"

该技术有助于满足物联网、边缘计算系统和人工智能处理器等微型设备对小型化能源存储日益增长的需求。

"有了这项技术，我们终于可以开始实现在极小尺寸的芯片上无缝集成能量存储和电力传输，"论文主要作者之一苏拉杰-切马（Suraj Cheema）说。"它可以开辟微电子能源技术的新领域。"

这是一项重大突破，但研究人员并没有就此满足。现在，他们正在努力扩大这项技术的规模，并将其集成到全尺寸微芯片中，同时进一步提高薄膜的负电容。

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