Ученые исследуют возможность внедрения накопителей энергии непосредственно в микросхемы. Это позволит минимизировать потери энергии при ее передаче между различными электронными компонентами.
Сама эта идея не нова, но до сих пор существующие технологии не могли обеспечить одновременное хранение достаточного количества энергии в ограниченном пространстве и ее быстрой передачи. Решение нашли ученые Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США) и Калифорнийского университета в Беркли. В своем новом исследовании они представили микросуперконденсаторы, устраняющие этот недостаток.
Микросуперконденсаторы в чипах
Разработанные ими микросуперконденсаторы изготовлены из специально созданных тонких пленок оксида гафния и оксида циркония. Примечательно, что для их производства используются материалы и методы, уже применяемые в производстве микрочипов. Главное отличие - способность хранить значительно больше энергии, чем обычные конденсаторы, благодаря использованию материалов с отрицательной емкостью.
Конденсаторы - одни из базовых элементов электрических цепей. Они накапливают энергию в электрическом поле, возникающем между двумя металлическими пластинами, разделенными диэлектриком (непроводящим материалом). Их преимущества - быстрая передача энергии и больший срок службы по сравнению с батареями, накапливающими энергию посредством электрохимических реакций.
Однако эти достоинства компенсируются существенно более низкой плотностью энергии. Поэтому пока технология нашла применение лишь в маломощных устройствах, например, медицинских имплантах, а не в ноутбуках. При миниатюризации до размеров, необходимых для интеграции в микросхемы, эта проблема становится еще больее актуальной.
Для ее решения ученые модифицировали тонкие пленки HfO2-ZrO2, добившись эффекта отрицательной емкости. Тщательно подобрав состав материала, они сделали его легко поляризуемым даже слабым электрическим полем.
Для увеличения емкости хранения энергии исследователи встраивали атомно-тонкие слои оксида алюминия каждые несколько слоев HfO2-ZrO2. Это позволило наращивать пленки до толщины 100 нм без потери необходимых свойств.
Полученные пленки были интегрированы в трехмерные микросуперконденсаторные структуры, показав рекордные характеристики: в девять раз выше плотность энергии и в 170 раз выше плотность мощности по сравнению с лучшими существующими электростатическими конденсаторами.
Зачем это нужно?
Эта технология поможет удовлетворить растущий спрос на миниатюрные накопители энергии для микроустройств, таких как системы Интернета вещей (IoT), граничных вычислений и процессоров искусственного интеллекта.
"Благодаря данной технологии мы, наконец, можем начать реализовывать накопление энергии и ее передачу, полностью интегрированные на микросхеме в очень малых размерах. "Это открывает новые возможности для создания энергоэффективных решений в микроэлектронике", - говорит Сурадж Чима, один из ведущих авторов статьи.
Это действительно важный прорыв, но ученые не останавливаются на достигнутом. Сейчас они работают над масштабированием технологии и ее интеграцией в полноценные микросхемы, одновременно совершенствуя материалы с отрицательной емкостью.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
