Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı bilim insanları, ultra yüksek enerji ve güç yoğunluğuna sahip mikro kapasitörler geliştirdiler. elektronik cihazlarda çip üzerinde enerji depolamanın önünü açıyor. Pek çok okuyucu, bilgisayar anakartlarına ve diğer yoğun güç kullanan silikon çip devre kartlarına takılan kapasitör popülasyonlarını gördü.

Bulgular dergide yayınlandı Doğa, önünü açmak Yeni nesil elektroniklerde gelişmiş çip üzerinde enerji depolama ve güç dağıtımı.

Elektronik cihazları daha küçük ve enerji açısından daha verimli hale getirmek için devam eden arayışta araştırmacılar, enerji depolamayı doğrudan mikroçiplere taşımak, böylece gücün çeşitli cihaz bileşenleri arasında taşınması sırasında ortaya çıkan kayıpları azaltmak istiyor. Çip üzerinde enerji depolamanın etkili olabilmesi için büyük miktarda enerjiyi çok küçük bir alanda depolayabilmesi ve gerektiğinde hızlı bir şekilde sunabilmesi gerekir; bu gereksinimler mevcut teknolojilerle karşılanamaz.

Bu zorluğun üstesinden gelen Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Laboratuvarı) ve UC Berkeley’deki bilim insanları, çip üretiminde halihazırda yaygın olan malzeme ve imalat tekniklerini kullanarak, hafniyum oksit ve zirkonyum oksitten yapılmış ince filmlerden yapılmış mikrokapasitörlerde rekor düzeyde yüksek enerji ve güç yoğunlukları elde ettiler. .

Modern mikroelektronikte kullanılanla aynı yapılar olan 3 boyutlu hendek kapasitör yapılarında özel olarak tasarlanmış hafniyum oksit/zirkonyum oksit filmlerden yapılan mikrokapasitörler, çip üzerinde enerji depolamanın önünü açarak rekor düzeyde yüksek enerji depolama ve güç yoğunluğu elde eder. Resim Kredisi: Nirmaan Shanker/Suraj Cheema, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı. Daha büyük ve daha fazla görsel için basın bülteni bağlantısına tıklayın.

Berkeley Laboratuvarı öğretim üyesi kıdemli bilim insanı ve projeyi yöneten UC Berkeley profesörü Sayeef Salahuddin şöyle açıkladı: “Mühendislikle tasarlanmış ince filmlerden yapılan mikro kapasitörlerde, sıradan dielektriklerle mümkün olandan çok daha fazla miktarda enerji depolamanın mümkün olduğunu gösterdik. . Üstelik bunu doğrudan mikroişlemcilerin üzerinde işlenebilen bir malzemeyle yapıyoruz.”

Bu araştırma, Berkeley Laboratuvarı’nda daha küçük, daha hızlı ve daha enerji verimli mikroelektronikler için yeni malzemeler ve teknikler geliştirmeye yönelik daha geniş çabaların bir parçasıdır.

Kondansatörler elektrik devrelerinin temel bileşenlerinden biridir ancak enerji depolamak için de kullanılabilirler. Enerjiyi elektrokimyasal reaksiyonlar yoluyla depolayan pillerden farklı olarak kapasitörler, enerjiyi bir dielektrik malzeme ile ayrılmış iki metal plaka arasında oluşturulan bir elektrik alanında depolar. Kapasitörler ihtiyaç duyulduğunda çok hızlı bir şekilde deşarj edilebilir, böylece gücü hızlı bir şekilde iletebilirler ve tekrarlanan şarj-deşarj döngülerinde bozulmazlar, bu da onlara pillerden çok daha uzun ömür sağlar. Bununla birlikte, kapasitörler genellikle pillerden çok daha düşük enerji yoğunluklarına sahiptir, bu da birim hacim veya ağırlık başına daha az enerji depolayabilecekleri anlamına gelir ve bu sorun, onları çip üzerinde enerji depolamak için mikro kapasitör boyutuna küçültmeye çalıştığınızda daha da kötüleşir.

Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuarı’ndaki araştırmacılar, negatif kapasitans etkisi elde etmek için ince HfO2-ZrO2 filmlerini dikkatle tasarlayarak rekor kıran mikro kapasitörlere ulaştılar. Normalde, bir dielektrik malzemenin diğerinin üzerine yerleştirilmesi genel olarak daha düşük bir kapasitansla sonuçlanır. Bununla birlikte, eğer bu katmanlardan biri negatif kapasitanslı bir malzeme ise, o zaman genel kapasitans aslında artar. Daha önceki çalışmalarında Salahuddin ve meslektaşları, geleneksel MOSFET transistörlerinden önemli ölçüde daha düşük voltajlarda çalıştırılabilen transistörler üretmek için negatif kapasitans malzemelerinin kullanımını gösterdiler. Burada, daha fazla miktarda şarj ve dolayısıyla enerji depolayabilen kapasitörler üretmek için negatif kapasitanstan yararlandılar.

Kristal filmler, endüstriyel çip üretiminden standart malzemeler ve teknikler kullanılarak atomik katman biriktirme yoluyla büyütülen HfO2 ve ZrO2 karışımından yapılır. İki bileşenin oranına bağlı olarak filmler, kristal yapının yerleşik bir elektrik polarizasyonuna sahip olduğu ferroelektrik veya yapının bir elektrik alanı uygulanarak kutup durumuna itilebildiği antiferroelektrik olabilir. Kompozisyon tam olarak ayarlandığında, kapasitörün şarj edilmesiyle oluşturulan elektrik alanı, filmleri ferroelektrik ve antiferroelektrik düzen arasındaki devrilme noktasında dengeler ve bu kararsızlık, malzemenin çok kolay bir şekilde polarize edilebildiği negatif kapasitans etkisine yol açar. küçük elektrik alanı.

Salahuddin’in grubunda doktora sonrası araştırmacı olan ve makalenin baş yazarlarından biri olan Suraj Cheema şöyle açıkladı: “Bu birim hücre, faz geçişi sırasında gerçekten polarize olmak istiyor, bu da bir elektrik alanına tepki olarak ekstra yük üretilmesine yardımcı oluyor. Bu olay, negatif kapasitans etkisinin bir örneğidir ancak bunu normalde sahip olduğunuzdan çok daha fazla yükü yakalamanın bir yolu olarak düşünebilirsiniz.” Salahuddin’in grubunda yüksek lisans öğrencisi olan Nirmaan Shanker aynı zamanda ortak başyazardır.

Filmlerin enerji depolama kapasitesini artırmak için ekibin, sinir bozucu antiferroelektrik-ferroelektrik durumdan kurtulmasına izin vermeden film kalınlığını artırması gerekiyordu. Her birkaç HfO2-ZrO2 katmanından sonra atomik olarak ince alüminyum oksit katmanlarını serpiştirerek, istenen özellikleri korurken filmleri 100 nm kalınlığa kadar büyütebileceklerini buldular.

Son olarak, MIT Lincoln Laboratuvarı’ndaki ortak çalışanlarla birlikte çalışan araştırmacılar, filmleri üç boyutlu mikrokapasitör yapılarına entegre ederek, hassas bir şekilde katmanlı filmleri, 100:1’e varan en boy oranlarıyla silikona kesilmiş derin kanallarda büyüttüler. Bu 3 boyutlu hendek kapasitör yapıları günümüzün DRAM kapasitörlerinde kullanılmaktadır ve düzlemsel kapasitörlere kıyasla birim ayak izi başına çok daha yüksek kapasitans elde ederek daha fazla minyatürleştirme ve tasarım esnekliği sağlar. Ortaya çıkan cihazların özellikleri rekor kırıyor: günümüzün en iyi elektrostatik kapasitörleriyle karşılaştırıldığında, bu mikrokapasitörler dokuz kat daha yüksek enerji yoğunluğuna ve 170 kat daha yüksek güç yoğunluğuna sahiptir (sırasıyla 80 mJ-cm-2 ve 300 kW-cm-2) .

Salahuddin, “Elde ettiğimiz enerji ve güç yoğunluğu beklediğimizden çok daha yüksek” dedi. “Yıllardır negatif kapasitans malzemeleri geliştiriyoruz, ancak bu sonuçlar oldukça şaşırtıcıydı.”

Bu yüksek performanslı mikro kapasitörler, Nesnelerin İnterneti sensörleri, uç bilgi işlem sistemleri ve yapay zeka işlemcileri gibi mikro cihazlarda verimli, minyatürleştirilmiş enerji depolamaya yönelik artan talebin karşılanmasına yardımcı olabilir. Araştırmacılar artık teknolojinin ölçeğini büyütmek ve onu tam boyutlu mikroçiplere entegre etmek üzerinde çalışıyor, ayrıca bu filmlerin negatif kapasitansını daha da artırmak için temel malzeme bilimini ileri itiyor.

Cheema şunları ekledi: “Bu teknolojiyle nihayet enerji depolamayı ve çip üzerinde sorunsuz bir şekilde entegre edilmiş güç dağıtımını çok küçük boyutlarda gerçekleştirmeye başlayabiliriz. Mikroelektronik için yeni bir enerji teknolojileri alanı açabilir.”

Bu çalışmanın bir kısmı, Berkeley Laboratuvarı’nda bulunan bir DOE Bilim Ofisi nanobilim kullanıcı tesisi olan Molecular Foundry’de gerçekleştirildi.

**

Bu, daha fazla minyatürleştirmeye yönelik bir gelişme olarak oldukça ilginç. Bir çipin tüm devre kartının yerini alabileceği fikri neredeyse başlı başına bir devrimdir. Çipin üzerindeki bağlantı olanakları dışında görülecek bir şey var mı diye merak ediliyor. Görülebilecek yalnızca bir bağlantı ve bir ısı emici olabilir.

Teknoloji büyük olasılıkla pazarda alım görecek. Şimdilik devre kartlarını montaj hattı tarzında lehimleyen milyonlarca insan var.

Bu, bu teknolojinin muhtemelen daha iyi ve daha ucuz bir şekilde tüketicilere yakında sunulacağı anlamına geliyor. Sonra bir gün çok daha az toksik elementlerin olduğu bir çöp sahasına gideceğiz.

Brian Westenhaus tarafından Yeni Enerji ve Yakıt

Oilprice.com’dan En Çok Okunanlar:



Kaynak