Erittäin tehokkaita mikrokondensaattoreita

Vastatakseen elektroniikan kutistamisen haasteeseen Berkeley Labin ja UC Berkeleyn tutkijat ovat saavuttaneet ennätyskorkeat energia- ja tehotiheydet mikrokondensaattoreissa, jotka on valmistettu ohuista hafniumoksidin ja zirkoniumoksidin kalvoista käyttämällä materiaaleja ja valmistustekniikoita, jotka ovat jo laajalti yleisiä sirujen valmistuksessa.

"Olemme osoittaneet, että muokatuista ohutkalvoista valmistettuihin mikrokondensaattoreihin on mahdollista varastoida paljon energiaa, paljon enemmän kuin tavallisilla eristeaineilla", sanoo UC Berkeleyn professori Sayeef Salahuddin, joka johti tutkimusta. "Lisäksi teemme tämän materiaalilla, jota voidaan käsitellä suoraan mikroprosessorien päällä."

Tutkijat saavuttivat ennätykselliset mikrokondensaattorinsa suunnittelemalla huolellisesti ohuita HfO2-ZrO2 -kalvoja negatiivisen kapasitanssivaikutuksen saavuttamiseksi. Normaalisti yhden dielektrisen materiaalin kerrostaminen toisen päälle johtaa pienempään kokonaiskapasitanssiin. Kuitenkin, jos yksi näistä kerroksista on negatiivinen kapasitanssimateriaali, kokonaiskapasitanssi itse asiassa kasvaa.

Aiemmassa työssään Salahuddin ja kollegat osoittivat negatiivisten kapasitanssien materiaalien käytön tuottamaan transistoreita, joita voidaan käyttää huomattavasti pienemmillä jännitteillä kuin tavanomaisia MOSFET-transistoreita. Tällöin he valjastivat negatiivisen kapasitanssin tuottaakseen kondensaattoreita, jotka pystyvät varastoimaan suurempia määriä varausta ja siten energiaa.

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 saada polaariseen tilaan sähkökenttää käyttämällä.

Kun koostumus on viritetty juuri oikein, kondensaattoria lataamalla syntyvä sähkökenttä tasapainottaa kalvot ferrosähköisen ja antiferrosähköisen järjestyksen kääntöpisteessä, ja tämä epävakaus aiheuttaa negatiivisen kapasitanssiefektin, jossa materiaali voi helposti polarisoitua jopa pienellä sähkökentällä.

MIT Lincoln Laboratoryn yhteistyökumppaneiden kanssa tutkijat integroivat kehittämänsä kalvot kolmiulotteisiin mikrokondensaattorirakenteisiin.

Kaikkiaan aikaansaatujen rakenteiden ominaisuudet ovat ennätykselliset: verrattuna tämän hetken parhaisiin sähköstaattisiin kondensaattoreihin näiden mikrokondensaattoreiden energiatiheys on yhdeksän kertaa suurempi ja tehotiheys 170 kertaa suurempi ( vastaavasti 80 mJ-cm-2 ja 300 kW-cm-2).

Aiheesta aiemmin:

Negatiivinen hilakapasitanssi transistoreihin