革命性微電容器  為下一代電子產品提供動力

編譯/高晟鈞

科學家開發出革命性微電容器,增強了微晶片的能量儲存能力,標誌著微電子學的重大進步。圖取自 ScitechDaily

柏克利實驗室開發的新型微電容器技術增強了微晶片的能量儲存能力,創下了能量與功率密度的新紀錄,且最大化晶片的效能。

電容器片上整合的難題

科學家們正致力於將能量存儲直接整合到微晶片上,希望進一步縮小電子設備,並節省更多能量。這種方法可以最有效地減少不同設備間傳輸電力造成的能量損失。然而現有技術依舊無法滿足在有限空間內,儲存大量能量並傳輸的要求。

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電容器.作為電路的基本元件之一,也被用來儲存能量。與透過電化學反應儲存能量的電池不同,電容器在由介電材料分隔的兩個金屬板之間建立的電場中儲存能量。電容器除了放電快速,能夠快速提供電力外,也不會因重複的充放電循環而退化,因此使用壽命比電池長得多。

然而電容器的能量密度遠低於電池,這意味著單位體積或重量可以儲存的能量較少,而這顯然是不利於縮小到微晶片上的。

電容器的突破

對此,研究團隊開發的微電容器由氧化鉿和氧化鋯的工業薄膜製成,利用負電容效應,提高了整體能量密度的水平。

根據調整氧化鉿和氧化鋯的比例,薄膜可以具備鐵電性或反鐵電性兩種特性。當成分調整得恰到好處時,電容器充電產生的電場會在鐵電和反鐵電有序之間的臨界點平衡薄膜,這種不穩定性會產生負電容效應,即使是很小的電流,材料也很容易被極化,有助於在電場響應時產生額外的電荷。

另外,為了擴大薄膜的能量儲存能力,研究團隊必須增加薄膜厚度。對此,他們發現,在每隔幾層的氧化鉿和氧化鋯層後,散佈原子級的氧化鋁薄層可以將薄層生長至100nm厚,並保留材料的所有特性。

最終,研究團隊成功將這些薄膜整合至三微微電容器結構中。與當今最好的靜電電容器相比,這些微電容器的能量密度高出了九倍,功率密度甚至高出了170倍(分別為80 mJ/cm2和300 kW/cm2)。

未來發展方向

這些高效能微電容器可以幫助滿足物聯網感測器、邊緣運算系統和人工智慧處理器等微型設備對高效能、小型化能量儲存日益增長的需求。研究人員目前正致力於擴大該技術並將其整合到全尺寸微晶片中,並推動基礎材料科學的發展,以進一步改善這些薄膜的負電容效應。

資料來源:ScitechDaily

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