集成到芯片表面的微型電容器可以使計(jì)算更加節(jié)能，延長起搏器等植入醫(yī)療設(shè)備的使用壽命，并幫助為小型機(jī)器人提供動(dòng)力。得益于材料科學(xué)技巧，工程師們制造出的電容器在給定面積內(nèi)可存儲(chǔ) 9 倍的能量并提供 170 倍的功率。這些微小但功能強(qiáng)大的電容器可以使用與制造 DRAM 相同的材料和技術(shù)來制造。
電容器由介電材料制成并在電場中存儲(chǔ)能量。與利用化學(xué)反應(yīng)來儲(chǔ)存能量的電池相比，它們非常耐用，可以提供高功率水平和快速充電。但電容器的能量密度（在給定面積內(nèi)可以存儲(chǔ)的能量）通常遠(yuǎn)低于電池。這使得將它們縮小到芯片尺寸變得特別具有挑戰(zhàn)性。
一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)通過采用復(fù)合材料中出現(xiàn)的一些奇怪的電子特性來解決這個(gè)限制。他們制作了氧化鉿和氧化鋯的復(fù)合薄膜，該薄膜表現(xiàn)出自發(fā)電極化。一些區(qū)域是鐵電性的，所有偶極子都指向相同的方向，而另一些區(qū)域是反鐵電性的，偶極子指向多個(gè)方向，因此這些區(qū)域無法存儲(chǔ)電荷。當(dāng)對這些材料施加電場時(shí)，反鐵電區(qū)域會(huì)轉(zhuǎn)變，變成鐵電體，并且薄膜可以存儲(chǔ)大量電荷——比嚴(yán)格的鐵電材料多得多。
麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)家Suraj Cheema表示，這種所謂的負(fù)電容效應(yīng)意味著“你可以獲得更多的電荷存儲(chǔ)”。Cheema 是加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Sayeef Salahuddin博士后期間開發(fā)新型微電容器設(shè)備的團(tuán)隊(duì)的一員。
但僅靠負(fù)電容不足以制造具有高能量密度的微電容器——這些層只有 2 納米厚。該團(tuán)隊(duì)必須弄清楚如何使這些薄膜更厚，同時(shí)保持其負(fù)電容背后的獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)。他們能夠通過分層一些非晶態(tài)氧化鋁來構(gòu)建 100 納米厚的電容器。該中斷層從每個(gè)覆蓋層中“隱藏”介電材料的結(jié)構(gòu)，確保整個(gè)材料保持正確的晶體結(jié)構(gòu)。
為了在不增加面積的情況下進(jìn)一步提高這些設(shè)備的能量密度，研究人員使用了當(dāng)今 DRAM 單元電容器中常見的設(shè)計(jì)。這些 3D 結(jié)構(gòu)是在硅芯片表面挖出的 U 形溝槽。該設(shè)計(jì)在給定的占地面積內(nèi)包含了更多的電荷存儲(chǔ)材料。溝槽電容器可以通過原子層沉積（ALD）來制造。該技術(shù)與半導(dǎo)體制造兼容，但很難擴(kuò)大規(guī)模，為電動(dòng)汽車等產(chǎn)品制造更大的電容器。
Cheema 表示，微型電容器每平方厘米可存儲(chǔ) 80 毫焦耳的能量，僅比鋰離子電池小一個(gè)數(shù)量級。但是，雖然微型電池在高端只能充電 1,000 次，但這些微型電容器可以充電數(shù)十億次。Cheema 說，它們的充電速度快了一億倍。
“這是一種智能工程方法，導(dǎo)致能量密度取得重大進(jìn)步，”未參與這項(xiàng)工作的德雷克塞爾大學(xué)材料科學(xué)家尤里·戈戈西 (Yury Gogotsi)說道。他后來在電子郵件中補(bǔ)充道，“考慮到每部手機(jī)中約有 1,000 個(gè)多層陶瓷片式電容器，一輛汽車中約有 3,000 至 8,000 個(gè)，這項(xiàng)技術(shù)的影響可能非常重大?！?/p>
就目前的形式而言，該技術(shù)可用于增加 DRAM 中的電荷存儲(chǔ)。這些設(shè)備還可用于使電源更接近計(jì)算機(jī)芯片上的處理器，從而節(jié)省目前在運(yùn)輸過程中損失的能源。
如果電容器可以按比例放大，它們可以在機(jī)器人和手機(jī)等大型設(shè)備中得到應(yīng)用。Cheema 目前正在利用麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的設(shè)施，將這些單獨(dú)的微電容器連接起來，制造更大的能量存儲(chǔ)設(shè)備。能量密度可以用平方厘米來測量，但到目前為止他們只制造了 50 微米 x 1 微米的設(shè)備。