Científicos han desarrollado microcondensadores con una densidad de energía y potencia ultraalta, allanando el camino para el almacenamiento de energía en chips en dispositivos electrónicos. Este avance promete transformar la eficiencia y el tamaño de los dispositivos electrónicos modernos.
Almacenamiento de energía en microchips
En la búsqueda continua de hacer los dispositivos electrónicos cada vez más pequeños y eficientes en cuanto a energía, los investigadores buscan llevar el almacenamiento de energía directamente a los microchips. Esto reduciría las pérdidas de energía cuando se transporta entre varios componentes del dispositivo. Para ser efectivos, los dispositivos de almacenamiento de energía en el chip deben ser capaces de almacenar una gran cantidad de energía en un espacio muy reducido y entregarla rápidamente cuando sea necesario, requisitos que no pueden ser cumplidos con las tecnologías existentes.
Descubrimiento en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Universidad de California en Berkeley han logrado densidades de energía y potencia récord en microcondensadores fabricados con películas delgadas de óxido de hafnio y óxido de zirconio. Estos materiales y técnicas de fabricación ya son comunes en la fabricación de chips. Los hallazgos, publicados en la revista Nature, abren el camino para el almacenamiento avanzado de energía en el chip y la entrega de energía en la próxima generación de dispositivos electrónicos.
Hemos demostrado que es posible almacenar mucha energía en microcondensadores hechos de películas delgadas diseñadas, mucho más de lo que es posible con dieléctricos ordinarios. Y lo estamos haciendo con un material que puede ser procesado directamente sobre los microprocesadores.
Sayeef Salahuddin, científico sénior de Berkeley Lab y profesor de UC Berkeley que lideró el proyecto.
Condensadores y su rol en el almacenamiento de energía
Los condensadores son uno de los componentes básicos de los circuitos eléctricos, pero también pueden ser utilizados para almacenar energía. A diferencia de las baterías, que almacenan energía a través de reacciones electroquímicas, los capacitores almacenan energía en un campo eléctrico establecido entre dos placas metálicas separadas por un material dieléctrico. Los capacitores pueden descargarse muy rápidamente cuando es necesario, permitiendo una entrega rápida de energía, y no se degradan con ciclos repetidos de carga-descarga, lo que les da una vida útil mucho más larga que las baterías. Sin embargo, los capacitores generalmente tienen densidades de energía mucho más bajas que las baterías, lo que significa que pueden almacenar menos energía por unidad de volumen o peso, y ese problema empeora cuando se trata de reducir su tamaño a microcondensadores para el almacenamiento de energía en el chip.
Innovación con Películas delgadas de HfO2-ZrO2
Los investigadores lograron sus microcondensadores récord mediante la ingeniería cuidadosa de películas delgadas de HfO2-ZrO2 para lograr un efecto de capacitancia negativa. Normalmente, apilar un material dieléctrico sobre otro resulta en una capacitancia total más baja. Sin embargo, si una de esas capas es un material de capacitancia negativa, entonces la capacitancia total realmente aumenta. En trabajos anteriores, Salahuddin y sus colegas demostraron el uso de materiales de capacitancia negativa para producir transistores que pueden ser operados a voltajes sustancialmente más bajos que los transistores MOSFET convencionales. Aquí, aprovecharon la capacitancia negativa para producir capacitores capaces de almacenar mayores cantidades de carga y, por lo tanto, de energía.
Proceso de Fabricación
Las películas cristalinas están hechas de una mezcla de HfO2 y ZrO2 crecientes por deposición de capas atómicas, utilizando materiales y técnicas estándar de la fabricación industrial de chips. Dependiendo de la proporción de los dos componentes, las películas pueden ser ferroeléctricas, donde la estructura cristalina tiene una polarización eléctrica incorporada, o antiferroeléctricas, donde la estructura puede ser inducida a un estado polar aplicando un campo eléctrico. Cuando la composición se ajusta correctamente, el campo eléctrico creado al cargar el capacitor equilibra las películas en el punto de inflexión entre el orden ferroeléctrico y antiferroeléctrico, y esta inestabilidad da lugar al efecto de capacitancia negativa donde el material puede ser muy fácilmente polarizado por un campo eléctrico pequeño.
Integración y Escalabilidad
Para aumentar la capacidad de almacenamiento de energía de las películas, el equipo necesitó aumentar el grosor de la película sin permitir que se relajara fuera del estado frustrado antiferroeléctrico-ferroeléctrico. Encontraron que, intercalando capas atómicamente delgadas de óxido de aluminio después de cada pocas capas de HfO2-ZrO2, podían hacer crecer las películas hasta 100 nm de grosor mientras retenían las propiedades deseadas.
Colaboración y Resultados
Finalmente, trabajando con colaboradores del MIT Lincoln Laboratory, los investigadores integraron las películas en estructuras tridimensionales de microcondensadores, creciendo las películas con capas precisas en trincheras profundas cortadas en silicio con relaciones de aspecto de hasta 100:1. Estas estructuras de capacitores en trinchera 3D se usan en los capacitores DRAM de hoy y pueden lograr una capacitancia mucho mayor por unidad de superficie en comparación con los capacitores planos, permitiendo una mayor miniaturización y flexibilidad de diseño. Las propiedades de los dispositivos resultantes son récord: comparados con los mejores capacitores electrostáticos de hoy, estos microcondensadores tienen una densidad de energía nueve veces mayor y una densidad de potencia 170 veces mayor (80 mJ/cm² y 300 kW/cm², respectivamente).
Implicaciones Futuras
Estos microcondensadores de alto rendimiento podrían ayudar a satisfacer la creciente demanda de almacenamiento de energía eficiente y miniaturizado en microdispositivos como sensores del Internet de las Cosas, sistemas de computación en el borde y procesadores de inteligencia artificial. Los investigadores ahora están trabajando en escalar la tecnología e integrarla en microchips de tamaño completo, así como en avanzar en la ciencia de materiales fundamental para mejorar aún más la capacitancia negativa de estas películas.
Con esta tecnología, finalmente podemos comenzar a realizar almacenamiento de energía y entrega de potencia integrados en el chip en tamaños muy pequeños. Puede abrir un nuevo ámbito de tecnologías energéticas para la microelectrónica.
Suraj Cheema, postdoctorado en el grupo de Salahuddin
Partes de este trabajo se realizaron en el Molecular Foundry, una instalación de usuario de nanociencia de la Oficina de Ciencia del DOE ubicada en Berkeley Lab.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía, la Oficina de Ciencias Básicas de Energía, la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa (DTRA) y el Secretario de Defensa para Investigación e Ingeniería.
Vía lbl.gov
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