ریزخازن های انقلابی می توانند تراشه های آینده را تامین کنند

در تلاش مداوم برای کوچک‌تر کردن دستگاه‌های الکترونیکی و کارآمدتر کردن انرژی، محققان می‌خواهند ذخیره‌سازی انرژی را مستقیماً روی ریزتراشه‌ها منتقل کنند و تلفات وارد شده در انتقال انرژی بین اجزای مختلف دستگاه را کاهش دهند. برای موثر بودن، ذخیره انرژی روی تراشه باید بتواند مقدار زیادی انرژی را در یک فضای بسیار کوچک ذخیره کند و در صورت نیاز به سرعت آن را تحویل دهد – الزاماتی که با فناوری‌های موجود برآورده نمی‌شوند.

برای مقابله با این چالش، دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) و دانشگاه کالیفرنیا برکلی به چگالی انرژی و قدرت بالایی در ریزخازن‌های ساخته شده با لایه‌های نازک اکسید هافنیوم و اکسید زیرکونیوم مهندسی شده با استفاده از مواد و تکنیک‌های تولید دست یافته‌اند که در حال حاضر در تراشه‌ها رایج شده‌اند. تولید. یافته ها، در مجله منتشر شده است طبیعتراه را برای ذخیره سازی پیشرفته انرژی روی تراشه و تحویل نیرو در الکترونیک نسل بعدی هموار می کنند.

سیف صلاح الدین، پژوهشگر ارشد آزمایشگاه برکلی و استاد دانشگاه کالیفرنیا برکلی گفت: «ما نشان داده‌ایم که می‌توان انرژی زیادی را در ریزخازن‌های ساخته شده از لایه‌های نازک مهندسی شده ذخیره کرد، بسیار بیشتر از آنچه با دی الکتریک‌های معمولی امکان‌پذیر است. که یک پروژه را رهبری می کند. علاوه بر این، ما این کار را با ماده ای انجام می دهیم که می تواند مستقیماً روی ریزپردازنده ها پردازش شود.

این تحقیق بخشی از تلاش های گسترده تر در آزمایشگاه برکلی برای توسعه مواد و تکنیک‌های جدید برای میکروالکترونیک‌های کوچک‌تر، سریع‌تر و کارآمدتر.

خازن ها یکی از اجزای اصلی مدارهای الکتریکی هستند، اما می توان از آنها برای ذخیره انرژی نیز استفاده کرد. برخلاف باتری ها که انرژی را از طریق واکنش های الکتروشیمیایی ذخیره می کنند، خازن ها انرژی را در میدان الکتریکی ایجاد شده بین دو صفحه فلزی که توسط یک ماده دی الکتریک از هم جدا شده اند ذخیره می کنند. خازن‌ها می‌توانند در صورت نیاز خیلی سریع تخلیه شوند و به آنها اجازه می‌دهد به سرعت برق را تحویل دهند و با چرخه‌های شارژ-دشارژ مکرر تخریب نمی‌شوند و عمر بسیار طولانی‌تری نسبت به باتری‌ها به آنها می‌دهد. با این حال، خازن‌ها معمولاً چگالی انرژی بسیار کمتری نسبت به باتری‌ها دارند، به این معنی که می‌توانند انرژی کمتری را در واحد حجم یا وزن ذخیره کنند، و این مشکل زمانی بدتر می‌شود که بخواهید آنها را به اندازه یک میکرو خازن ذخیره انرژی در تراشه کاهش دهید. .

در اینجا، محققان با مهندسی دقیق لایه‌های نازک HfO به ریزخازن‌های رکوردشکنی خود دست یافتند.₂-ZrO₂ برای دستیابی به اثر ظرفیت منفی به طور معمول، لایه بندی یک ماده دی الکتریک روی دیگری منجر به ظرفیت کلی کمتر می شود. با این حال، اگر یکی از این لایه ها یک ماده با ظرفیت منفی باشد، در واقع ظرفیت کل افزایش می یابد. که در کار قبلیصلاح الدین و همکارانش استفاده از مواد با ظرفیت منفی را برای تولید ترانزیستورهایی نشان دادند که می توانند در ولتاژهای بسیار پایین تری نسبت به ترانزیستورهای ماسفت معمولی کار کنند. در اینجا آنها از ظرفیت منفی برای تولید خازن هایی استفاده کردند که قادر به ذخیره مقادیر بیشتری بار و در نتیجه انرژی هستند.

فیلم های کریستالی از مخلوط HfO ساخته می شوند₂ و ZrO₂ با رسوب لایه اتمی با استفاده از مواد و تکنیک های استاندارد از تولید تراشه های صنعتی رشد می کند. بسته به نسبت دو جزء، فیلم ها می توانند فروالکتریک، جایی که ساختار کریستالی دارای پلاریزاسیون الکتریکی داخلی است، یا ضد فروالکتریک، که در آن ساختار می تواند با اعمال میدان الکتریکی به حالت قطبی هل داده شود. هنگامی که ترکیب به درستی تنظیم می شود، میدان الکتریکی ایجاد شده توسط شارژ خازن، لایه ها را در نقطه انحراف بین نظم فروالکتریک و ضد فروالکتریک متعادل می کند، و این ناپایداری منجر به اثر خازنی منفی می شود، جایی که ماده به راحتی می تواند توسط حتی قطبی شود. یک میدان الکتریکی کوچک

سورج چیما، عضو فوق دکتری در گروه صلاح الدین و یکی از نویسندگان اصلی مقاله، می گوید: «این سلول واحد واقعاً می خواهد در طول انتقال فاز قطبی شود، که به تولید بار اضافی در پاسخ به میدان الکتریکی کمک می کند. “این پدیده یکی از نمونه های اثر ظرفیت منفی است، اما شما می توانید آن را به عنوان راهی برای به دام انداختن بار بسیار بیشتر از آنچه که معمولاً دارید، در نظر بگیرید.”

برای افزایش توانایی ذخیره‌سازی انرژی فیلم‌ها، تیم مجبور شد ضخامت فیلم را افزایش دهد بدون اینکه اجازه دهد از حالت ناامید ضد فروالکتریک- فروالکتریک رها شود. آنها دریافتند که با کندوپاش کردن لایه‌های نازک اتمی اکسید آلومینیوم پس از هر چند لایه HfO₂-ZrO₂آنها می توانند لایه ها را تا ضخامت 100 نانومتر رشد دهند و در عین حال خواص مورد نظر خود را حفظ کنند.

در نهایت، محققان با همکاری با همکاران در آزمایشگاه MIT لینکلن، فیلم‌ها را در ساختارهای ریزخازن سه‌بعدی ادغام کردند و فیلم‌های لایه‌بندی دقیق را در کانال‌های عمیق برش‌شده در سیلیکون با نسبت تصویر تا ۱۰۰:۱ رشد دادند. این سازه‌های خازن سه بعدی در خازن‌های DRAM امروزی استفاده می‌شوند و می‌توانند ظرفیت بسیار بالاتری را در هر واحد نسبت به خازن‌های مسطح به دست آورند که کوچک‌سازی و انعطاف‌پذیری طراحی بیشتری را ممکن می‌سازد. ویژگی‌های دستگاه‌های به‌دست‌آمده رکوردشکنی است: در مقایسه با بهترین خازن‌های الکترواستاتیک امروزی، این ریزخازن‌ها 9 برابر چگالی انرژی و 170 برابر چگالی توان بالاتر (80 mJ-cm) دارند.^-2 و 300 کیلووات سانتی متر^-2به ترتیب).

صلاح الدین گفت: «انرژی و چگالی توانی که به دست آوردیم بسیار بیشتر از آن چیزی است که انتظار داشتیم. ما سال‌هاست که در حال توسعه مواد با ظرفیت منفی بوده‌ایم، اما این نتایج بسیار شگفت‌انگیز بود.

این ریزخازن‌های با کارایی بالا می‌توانند به پاسخگویی به تقاضای رو به رشد برای ذخیره‌سازی انرژی کارآمد و کوچک در میکرودستگاه‌هایی مانند حسگرهای اینترنت اشیا، سیستم‌های محاسباتی محیطی و پردازنده‌های هوش مصنوعی کمک کنند. محققان اکنون در حال کار بر روی افزایش مقیاس فناوری و ادغام آن در ریزتراشه‌های اندازه کامل و همچنین پیشبرد علم مواد اساسی برای بهبود بیشتر ظرفیت منفی این فیلم‌ها هستند.

Cheema گفت: “با این فناوری، ما در نهایت می توانیم شروع به درک ذخیره انرژی و تحویل انرژی به صورت یکپارچه روی تراشه در اندازه های بسیار کوچک کنیم.” این می تواند قلمرو جدیدی از فناوری انرژی را برای میکروالکترونیک باز کند.

بخش‌هایی از این کار در ریخته‌گری مولکولی، یک مرکز کاربر علوم نانو، دفتر DOE، واقع در آزمایشگاه برکلی، انجام شد.

این تحقیق توسط دفتر علوم وزارت انرژی، دفتر علوم پایه انرژی، آژانس کاهش تهدیدات دفاعی (DTRA) و وزیر دفاع برای تحقیقات و مهندسی پشتیبانی شده است.

متصل