集成到芯片表面的微型電容器可以使計算更加節(jié)能，延長起搏器等植入醫(yī)療設(shè)備的使用壽命，并幫助為小型機器人提供動力。得益于材料科學(xué)技巧，工程師們制造出的電容器在給定面積內(nèi)可存儲 9 倍的能量并提供 170 倍的功率。這些微小但功能強大的電容器可以使用與制造 DRAM 相同的材料和技術(shù)來制造。
電容器由介電材料制成并在電場中存儲能量。與利用化學(xué)反應(yīng)來儲存能量的電池相比，它們非常耐用，可以提供高功率水平和快速充電。但電容器的能量密度（在給定面積內(nèi)可以存儲的能量）通常遠低于電池。這使得將它們縮小到芯片尺寸變得特別具有挑戰(zhàn)性。
一個工程師團隊通過采用復(fù)合材料中出現(xiàn)的一些奇怪的電子特性來解決這個限制。他們制作了氧化鉿和氧化鋯的復(fù)合薄膜，該薄膜表現(xiàn)出自發(fā)電極化。一些區(qū)域是鐵電性的，所有偶極子都指向相同的方向，而另一些區(qū)域是反鐵電性的，偶極子指向多個方向，因此這些區(qū)域無法存儲電荷。當(dāng)對這些材料施加電場時，反鐵電區(qū)域會轉(zhuǎn)變，變成鐵電體，并且薄膜可以存儲大量電荷——比嚴格的鐵電材料多得多。
麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)家Suraj Cheema表示，這種所謂的負電容效應(yīng)意味著“你可以獲得更多的電荷存儲”。Cheema 是加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計算機科學(xué)教授Sayeef Salahuddin博士后期間開發(fā)新型微電容器設(shè)備的團隊的一員。
但僅靠負電容不足以制造具有高能量密度的微電容器——這些層只有 2 納米厚。該團隊必須弄清楚如何使這些薄膜更厚，同時保持其負電容背后的獨特晶體結(jié)構(gòu)。他們能夠通過分層一些非晶態(tài)氧化鋁來構(gòu)建 100 納米厚的電容器。該中斷層從每個覆蓋層中“隱藏”介電材料的結(jié)構(gòu)，確保整個材料保持正確的晶體結(jié)構(gòu)。
為了在不增加面積的情況下進一步提高這些設(shè)備的能量密度，研究人員使用了當(dāng)今 DRAM 單元電容器中常見的設(shè)計。這些 3D 結(jié)構(gòu)是在硅芯片表面挖出的 U 形溝槽。該設(shè)計在給定的占地面積內(nèi)包含了更多的電荷存儲材料。溝槽電容器可以通過原子層沉積（ALD）來制造。該技術(shù)與半導(dǎo)體制造兼容，但很難擴大規(guī)模，為電動汽車等產(chǎn)品制造更大的電容器。
Cheema 表示，微型電容器每平方厘米可存儲 80 毫焦耳的能量，僅比鋰離子電池小一個數(shù)量級。但是，雖然微型電池在高端只能充電 1,000 次，但這些微型電容器可以充電數(shù)十億次。Cheema 說，它們的充電速度快了一億倍。
“這是一種智能工程方法，導(dǎo)致能量密度取得重大進步，”未參與這項工作的德雷克塞爾大學(xué)材料科學(xué)家尤里·戈戈西 (Yury Gogotsi)說道。他后來在電子郵件中補充道，“考慮到每部手機中約有 1,000 個多層陶瓷片式電容器，一輛汽車中約有 3,000 至 8,000 個，這項技術(shù)的影響可能非常重大?！?/p>
就目前的形式而言，該技術(shù)可用于增加 DRAM 中的電荷存儲。這些設(shè)備還可用于使電源更接近計算機芯片上的處理器，從而節(jié)省目前在運輸過程中損失的能源。
如果電容器可以按比例放大，它們可以在機器人和手機等大型設(shè)備中得到應(yīng)用。Cheema 目前正在利用麻省理工學(xué)院林肯實驗室的設(shè)施，將這些單獨的微電容器連接起來，制造更大的能量存儲設(shè)備。能量密度可以用平方厘米來測量，但到目前為止他們只制造了 50 微米 x 1 微米的設(shè)備。