A nova tecnologia de microcapacitores desenvolvida no Berkeley Lab aprimora as capacidades de armazenamento de energia em microchips, marcando um grande avanço na microeletrônica. Crédito: SciTechDaily
Novos microcapacitores desenvolvidos por cientistas mostram densidades de energia e potência recordes, abrindo caminho para o armazenamento de energia no chip em dispositivos eletrônicos.
Os pesquisadores estão se esforçando para tornar os dispositivos eletrônicos menores e mais eficientes em termos energéticos, integrando o armazenamento de energia diretamente nos microchips. Esta abordagem minimiza as perdas de energia que ocorrem quando a energia é transferida entre os diferentes componentes do dispositivo. Para ser eficaz, o armazenamento de energia no chip deve ser capaz de armazenar uma quantidade substancial de energia num espaço compacto e distribuí-la rapidamente. As tecnologias existentes, no entanto, não conseguem satisfazer estes requisitos.
Avanço em Microcapacitores
Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e da UC Berkeley deram um passo significativo para superar esses desafios, alcançando recentemente densidades recordes de energia e potência em microcapacitores. Esses capacitores são feitos de filmes finos projetados de óxido de háfnio e óxido de zircônio, empregando materiais e técnicas de fabricação comuns na fabricação de chips. Publicado na revista Naturezasuas descobertas podem revolucionar o armazenamento de energia no chip e o fornecimento de energia na eletrônica de próxima geração.
“Mostramos que é possível armazenar muita energia em microcapacitores feitos de filmes finos projetados, muito mais do que é possível com dielétricos comuns”, afirmou Sayeef Salahuddin, cientista sênior do Berkeley Lab, professor da UC Berkeley, e projeto liderar. “Além do mais, estamos fazendo isso com um material que pode ser processado diretamente em microprocessadores.” Esta pesquisa faz parte de esforços mais amplos do Berkeley Lab para desenvolver novos materiais e técnicas para uma microeletrônica mais eficiente.
Microcapacitores feitos com filmes projetados de óxido de háfnio/óxido de zircônio em estruturas de capacitores de trincheira 3D – as mesmas estruturas usadas na microeletrônica moderna – alcançam armazenamento de energia e densidade de potência recordes, abrindo caminho para o armazenamento de energia no chip. Crédito: Nirmaan Shanker/Suraj Cheema
Fundamentos e desafios do capacitor
Os capacitores são um dos componentes básicos dos circuitos elétricos, mas também podem ser usados para armazenar energia. Ao contrário das baterias, que armazenam energia através de reações eletroquímicas, os capacitores armazenam energia num campo elétrico estabelecido entre duas placas metálicas separadas por um material dielétrico. Os capacitores podem ser descarregados muito rapidamente quando necessário, permitindo que forneçam energia rapidamente. Além disso, não se degradam com ciclos repetidos de carga e descarga, proporcionando-lhes uma vida útil muito mais longa do que as baterias. No entanto, os capacitores geralmente têm densidades de energia muito mais baixas do que as baterias, o que significa que podem armazenar menos energia por unidade de volume ou peso, e esse problema só piora quando você tenta reduzi-los ao tamanho de microcapacitores para armazenamento de energia no chip.
Sayeef Salahuddin (à esquerda) e Nirmaan Shanker no laboratório. Crédito: Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Metodologias e Resultados de Pesquisa
Os pesquisadores criaram seus microcapacitores revolucionários projetando cuidadosamente filmes finos de HfO2-ZrO2 para obter um efeito de capacitância negativo. Normalmente, colocar um material dielétrico em camadas sobre outro resulta em uma capacitância geral mais baixa. No entanto, se uma dessas camadas for um material com capacitância negativa, então a capacitância geral na verdade aumenta. Em trabalho anterior, Salahuddin e colegas demonstraram o uso de materiais de capacitância negativa para produzir transistores que podem ser operados em tensões substancialmente mais baixas do que os transistores MOSFET convencionais. Aqui, eles aproveitaram a capacitância negativa para produzir capacitores capazes de armazenar maiores quantidades de carga e, portanto, energia.
Os filmes são feitos a partir de uma mistura de HfO2 e ZrO2 cultivado por deposição de camada atômica, usando materiais e técnicas padrão de fabricação industrial de chips. Dependendo da proporção dos dois componentes, os filmes podem ser ferroelétricos, onde a estrutura cristalina possui uma polarização elétrica embutida, ou antiferroelétricos, onde a estrutura pode ser empurrada para um estado polar pela aplicação de um campo elétrico. Quando a composição está ajustada corretamente, o campo elétrico criado pelo carregamento do capacitor equilibra os filmes no ponto de inflexão entre a ordem ferroelétrica e antiferroelétrica, e essa instabilidade dá origem ao efeito de capacitância negativa onde o material pode ser facilmente polarizado mesmo por um pequeno campo elétrico.
“Essa célula unitária realmente quer ser polarizada durante a transição de fase, o que ajuda a produzir carga extra em resposta a um campo elétrico”, disse Suraj Cheema, pós-doutorado no grupo de Salahuddin e um dos principais autores do artigo. “Este fenômeno é um exemplo de efeito de capacitância negativa, mas você pode pensar nele como uma forma de capturar muito mais carga do que normalmente teria”, acrescentou Nirmaan Shanker, estudante de pós-graduação do grupo de Salahuddin e co-autor principal.
Para aumentar a capacidade de armazenamento de energia dos filmes, a equipe precisava aumentar a espessura do filme sem permitir que ele relaxasse do estado antiferroelétrico-ferroelétrico frustrado. Eles descobriram que intercalando camadas atomicamente finas de óxido de alumínio após algumas camadas de HfO2-ZrO2eles poderiam aumentar os filmes com até 100 nm de espessura, mantendo as propriedades desejadas.
Finalmente, trabalhando com colaboradores da COM Lincoln Laboratory, os pesquisadores integraram os filmes em estruturas tridimensionais de microcapacitores, cultivando os filmes em camadas precisas em trincheiras profundas cortadas em silício com proporções de até 100:1. Essas estruturas de capacitores de trincheira 3D são usadas nos capacitores DRAM atuais e podem atingir uma capacitância muito maior por unidade ocupada em comparação com os capacitores planares, permitindo maior miniaturização e flexibilidade de projeto. As propriedades dos dispositivos resultantes são recordes: em comparação com os melhores capacitores eletrostáticos atuais, esses microcapacitores têm densidade de energia nove vezes maior e densidade de potência 170 vezes maior (80 mJ-cm-2 e 300 kW-cm-2, respectivamente). .
“A energia e a densidade de potência que obtivemos são muito maiores do que esperávamos”, disse Salahuddin. “Há muitos anos desenvolvemos materiais de capacitância negativa, mas esses resultados foram bastante surpreendentes.”
Direções futuras
Esses microcapacitores de alto desempenho poderiam ajudar a atender à crescente demanda por armazenamento de energia miniaturizado e eficiente em microdispositivos, como sensores da Internet das Coisas, sistemas de computação de ponta e processadores de inteligência artificial. Os pesquisadores estão agora trabalhando para ampliar a tecnologia e integrá-la em microchips de tamanho real, bem como impulsionar a ciência fundamental dos materiais para melhorar ainda mais a capacitância negativa desses filmes.
“Com esta tecnologia, podemos finalmente começar a realizar o armazenamento e o fornecimento de energia perfeitamente integrados no chip em tamanhos muito pequenos”, disse Cheema. “Isso pode abrir um novo domínio de tecnologias energéticas para a microeletrônica.”
Referência: “Superredes gigantes de armazenamento de energia e densidade de potência de capacitância negativa” por Suraj S. Cheema, Nirmaan Shanker, Shang-Lin Hsu, Joseph Schaadt, Nathan M. Ellis, Matthew Cook, Ravi Rastogi, Robert CN Pilawa-Podgurski, Jim Ciston, Mohamed Mohamed e Sayeef Salahuddin, 9 de abril de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07365-5
Partes deste trabalho foram conduzidas na Molecular Foundry, uma instalação de usuário de nanociência do DOE Office of Science localizada no Berkeley Lab. A pesquisa recebeu apoio do Escritório de Ciência do Departamento de Energia, do Escritório de Ciências Básicas de Energia, da Agência de Redução de Ameaças de Defesa (DTRA) e do Secretário de Defesa para Pesquisa e Engenharia.
