Pyrkiessään tekemään elektronisista laitteista entistä pienempiä ja energiatehokkaampia tutkijat haluavat tuoda energian varastoinnin suoraan mikrosiruille. Lawrence Berkeley National Laboratoryn (Berkeley Lab) ja UC Berkeleyn tutkijat ovat löytäneet tähän ratkjaisun mikrokondensaattorista.
Jotta sirulle varastoitu energia olisi käytännöllinen ratkaisu, on sen kyettävä varastoimaan suuri määrä energiaa hyvin pieneen tilaan ja toimittamaan se tarvittaessa nopeasti. Näihin vaatimuksiin eivät olemassaolevat teknologiat taivu.
Berkeleyn tutkijat ovat saavuttaneet ennätyskorkeat energia- ja tehotiheydet mikrokondensaattoreissa, jotka on valmistettu ohuista hafniumoksidi- ja zirkoniumoksidikalvoista. Laitteen valmistuksessa käytettiin materiaaleja ja valmistustekniikoita, jotka ovat jo laajalti yleisiä sirujen valmistuksessa. Tutkimus on julkaistu Nature-lehdessä.
Tutkimusta johtanut professori Sayeef Salahuddin sanoo, että nyt on osoitettu, ohuista kalvoista valmistettuihin mikrokondensaattoreihin on mahdollista varastoida paljon enemmän energiaa kuin tavallisiin eristäviin kalvoihin. - Lisäksi teemme tämän materiaalilla, jota voidaan käsitellä suoraan mikroprosessorien päällä.
Kondensaattorit ovat yksi sähköpiirien peruskomponenteista, mutta niitä voidaan käyttää myös energian varastoimiseen. Toisin kuin akut, jotka varastoivat energiaa sähkökemiallisten reaktioiden kautta, kondensaattorit varastoivat energiaa sähkökenttään, joka on muodostettu kahden eristemateriaalilla erotetun metallilevyn väliin. Kondensaattorit voidaan purkaa tarvittaessa erittäin nopeasti, jolloin ne voivat toimittaa tehoa nopeasti, eivätkä ne heikkene toistuvissa lataus-purkausjaksoissa, mikä antaa niille paljon pidemmän käyttöiän kuin akuille.
Kondensaattoreiden energiatiheys on kuitenkin yleensä paljon pienempi kuin akkujen, mikä tarkoittaa, että ne voivat varastoida vähemmän energiaa. Tämä ongelma vain pahenee, jos. piiri kutistetaan pienempään. Berkeleyn tutkijat toteuttivat ennätykselliset mikrokondensaattorinsa suunnittelemalla huolellisesti ohuita HfO2-ZrO2-kalvoja negatiivisen kapasitanssivaikutuksen saavuttamiseksi. Normaalisti yhden dielektrisen materiaalin kerrostaminen toisen päälle johtaa alhaisempaan kokonaiskapasitanssiin. Jos yksi näistä kerroksista on negatiivisen kapasitanssin materiaalia, kokonaiskapasitanssi itse asiassa kasvaa.
Kiteiset kalvot valmistetaan HfO2:n ja ZrO2:n sekoituksesta, joka on kasvatettu atomikerrospinnoituksella, käyttäen teollisen sirun valmistuksen standardimateriaaleja ja tekniikoita. Kahden komponentin suhteesta riippuen kalvot voivat olla ferrosähköisiä, joissa kiderakenteessa on sisäänrakennettu sähköinen polarisaatio, tai antiferrosähköisiä, joissa rakenne voidaan työntää polaariseen tilaan sähkökenttää käyttämällä. Kun koostumus on viritetty juuri oikeaan, kondensaattoria lataamalla syntyvä sähkökenttä tasapainottaa kalvot ferrosähköisen ja antiferrosähköisen järjestyksen kääntöpisteessä, ja tämä epävakaus aiheuttaa negatiivisen kapasitanssiefektin, jossa materiaali voi helposti polarisoitua jopa pieni sähkökenttä.
Kalvojen energian varastointikyvyn lisäämiseksi tiimin oli lisättävä kalvon paksuutta antamatta sen rentoutua turhautuneesta antiferrosähköisestä ferrosähköisestä tilasta. He havaitsivat, että levittämällä atomiohuita alumiinioksidikerroksia muutaman HfO2-ZrO2-kerroksen jälkeen he pystyivät kasvattamaan kalvot jopa 100 nm:n paksuisiksi säilyttäen silti halutut ominaisuudet.
