Группа ученых, представляющих Национальную лабораторию имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийский университет в Беркли, совершила прорыв в области микроэлектроники. Им удалось разработать инновационные устройства накопления энергии, которые получили название "микроконденсаторы". Эти миниатюрные компоненты демонстрируют беспрецедентные характеристики, превосходя существующие аналоги по плотности мощности в 170 раз. Такой значительный скачок в эффективности открывает новые горизонты для развития компактных и энергоемких электронных устройств.
Предложенный учеными инновационный метод позволяет существенно сократить рассеивание энергии, обычно происходящее при ее перемещении между разными элементами системы. В ходе экспериментов была создана уникальная композиция из тончайших слоев, состоящих из оксидов гафния и циркония. Примечательно, что при производстве этих передовых накопителей энергии применяются стандартные для чип-индустрии материалы и производственные процессы. Однако ключевое преимущество новых конденсаторов заключается в их выдающейся способности аккумулировать энергию, значительно превосходящей возможности традиционных аналогов. Этот эффект достигается за счет использования материалов, обладающих уникальным свойством отрицательной емкости.
Как вы вероятно знаете, в мире электроники конденсаторы играют фундаментальную роль, выступая в качестве ключевых элементов электрических схем. Принцип их работы основан на способности сохранять электрическую энергию в поле, возникающем между парой проводящих пластин. Эти пластины разделены особым изолирующим слоем – диэлектриком, который по своей природе является неметаллическим материалом. Также отличительной чертой конденсаторов является их способность мгновенно высвобождать накопленный заряд. Кроме того, они демонстрируют значительно больший эксплуатационный ресурс в сравнении с привычными батареями, где накопление энергии происходит за счет химических процессов. Эти характеристики делают конденсаторы незаменимыми в ряде технических применений.
Однако есть одна проблема - значительно меньшая плотность энергии, поэтому эту технологию мы видим только в устройствах с низким энергопотреблением, таких как мыши, в отличие от ноутбуков или портативных ПК. Проблема усугубляется, когда конденсаторы уменьшаются до размеров микроконденсаторов для хранения энергии на чипе. До недавнего времени эта задача оставалась нерешенной.
Коллектив специалистов, объединивший усилия Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли, создал инновационные ультратонкие слои, состоящие из композиции оксидов гафния и циркония (HfO2-ZrO2). Эта разработка нацелена на реализацию уникального феномена отрицательной емкости. Благодаря тщательной оптимизации соотношения компонентов, ученым удалось достичь примечательного результата: созданный материал демонстрирует высокую чувствительность к поляризации даже при воздействии незначительного электрического поля. Такое свойство открывает новые перспективы в области микроэлектроники и энергетических технологий.
В своем стремлении расширить энергоемкость инновационных пленочных структур исследователи применили нестандартный подход. Они разработали многослойную композицию, в которой ультратонкие пласты оксида алюминия, толщиной всего в несколько атомов, чередуются с более массивными слоями смеси оксидов гафния и циркония (HfO2-ZrO2). Эта хитроумная архитектура позволила ученым создать пленки общей толщиной до 10 нанометров, при этом сохранив их уникальные характеристики. Такая стратегия "послойного пирога" оказалась ключом к значительному увеличению способности материала накапливать энергию, открывая новые горизонты в области микроэлектроники.
Разработанные учеными тончайшие слои были успешно внедрены в объемную архитектуру миниатюрных накопителей энергии. Результаты превзошли самые смелые ожидания: созданные микроконденсаторы продемонстрировали беспрецедентные показатели эффективности. По сравнению с передовыми электростатическими конденсаторами, доступными на рынке, новые устройства обладают поистине революционными характеристиками. Они способны хранить в девять раз больше энергии на единицу объема и обеспечивают в 170 раз более высокую удельную мощность. Такой колоссальный скачок в производительности знаменует собой настоящий прорыв в области микроэлектроники и энергетических технологий. Не правда ли, эти достижения поражают воображение?
Саиф Салахуддин, старший научный сотрудник Лаборатории им. Лоуренса в Беркли, профессор Калифорнийского университета в Беркли и руководитель проекта, отметил: «Достигнутые нами показатели плотности энергии и мощности намного выше, чем мы ожидали. Мы разрабатывали материалы с отрицательной емкостью в течение многих лет, но эти результаты оказались довольно удивительными».
Один из ведущих авторов проекта, Сурадж Чима, поделился своим видением перспектив новой разработки: "Наше открытие позволяет совершить качественный скачок в миниатюризации энергетических систем. Теперь мы можем создавать крошечные чипы, в которых функции накопления и распределения энергии будут неотъемлемой частью их структуры. Это достижение знаменует собой начало новой главы в развитии энерготехнологий для микроэлектронной отрасли. Мы стоим на пороге революционных изменений, которые могут полностью преобразить подход к проектированию и функционированию микроэлектронных устройств".
