Tiny Titans: Microcapacitors מהפכניים שעומדים להטעין את האלקטרוניקה מהדור הבא

מיקרו-קבלים חדשים שפותחו על ידי מדענים מראים צפיפות שיא של אנרגיה והספק, וסוללים את הדרך לאחסון אנרגיה על-שבב במכשירים אלקטרוניים.

חוקרים שואפים להפוך מכשירים אלקטרוניים לקטנים יותר וחסכוניים יותר באנרגיה על ידי שילוב אחסון אנרגיה ישירות על גבי שבבים. גישה זו ממזערת את הפסדי האנרגיה המתרחשים בעת העברת כוח בין רכיבי המכשיר השונים. על מנת להיות יעיל, אחסון אנרגיה על השבב חייב להיות מסוגל לאגור כמות ניכרת של אנרגיה בחלל קומפקטי ולספק אותה במהירות. עם זאת, הטכנולוגיות הקיימות אינן יכולות לעמוד בדרישות אלו.

פריצת דרך במיקרוקבלים

מדענים במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי) וב-UC ברקלי עשו צעד משמעותי לקראת התגברות על אתגרים אלה, והשיגו לאחרונה צפיפות אנרגיה והספק גבוהות שיא במיקרו-קבלים. קבלים אלה עשויים מסרטים דקים מהונדסים של תחמוצת הפניום ותחמוצת זירקוניום, תוך שימוש בחומרים ובטכניקות ייצור הנפוצות בייצור שבבים. פורסם בכתב העת טֶבַעהממצאים שלהם יכולים לחולל מהפכה באחסון האנרגיה על-שבב ובאספקת החשמל בדור הבא של האלקטרוניקה.

"הראינו שאפשר לאחסן הרבה אנרגיה במיקרו-קבלים העשויים מסרטים דקים מהונדסים, הרבה יותר ממה שאפשר עם דיאלקטריות רגילות", אמר סיף סלאחודין, מדען בכיר במעבדת ברקלי, פרופסור באוניברסיטת ברקלי, ופרויקט עוֹפֶרֶת. "יתרה מכך, אנחנו עושים את זה עם חומר שניתן לעבד ישירות על גבי מיקרו-מעבדים." מחקר זה הוא חלק ממאמצים רחבים יותר במעבדת ברקלי לפתח חומרים וטכניקות חדשות למיקרו-אלקטרוניקה יעילה יותר.

יסודות ואתגרים של קבלים

קבלים הם אחד המרכיבים הבסיסיים של מעגלים חשמליים אך ניתן להשתמש בהם גם לאחסון אנרגיה. בניגוד לסוללות, האוגרות אנרגיה באמצעות תגובות אלקטרוכימיות, קבלים אוגרים אנרגיה בשדה חשמלי שנוצר בין שני לוחות מתכתיים המופרדים על ידי חומר דיאלקטרי. ניתן לפרוק קבלים במהירות רבה בעת הצורך, מה שמאפשר להם לספק חשמל במהירות. כמו כן, הם אינם מתכלים עם מחזורי טעינה-פריקה חוזרים ונשנים, ומעניקים להם תוחלת חיים ארוכה בהרבה מאשר סוללות. עם זאת, לקבלים יש בדרך כלל צפיפות אנרגיה נמוכה בהרבה מאשר לסוללות, כלומר, הם יכולים לאחסן פחות אנרגיה ליחידת נפח או משקל, והבעיה הזו רק מחמירה כאשר מנסים לכווץ אותם לגודל מיקרו-קבלים לאחסון אנרגיה על-שבב.

מתודולוגיות מחקר ותוצאות

החוקרים יצרו את המיקרו-קבלים המהפכניים שלהם על ידי הנדסה קפדנית של סרטים דקים של HfO₂-ZrO₂ כדי להשיג אפקט קיבול שלילי. בדרך כלל, שכבת חומר דיאלקטרי אחד על גבי חומר אחר מביא לקיבול נמוך יותר. עם זאת, אם אחת השכבות הללו היא חומר בעל קיבול שלילי, הרי שהקיבול הכולל גדל למעשה. בעבודה קודמת, Salahuddin ועמיתיו הדגימו את השימוש בחומרי קיבול שלילי לייצור טרנזיסטורים שניתן להפעיל במתחים נמוכים משמעותית מאשר טרנזיסטורי MOSFET רגילים. כאן, הם רתמו קיבול שלילי כדי לייצר קבלים המסוגלים לאגור כמויות גדולות יותר של מטען, ולכן אנרגיה.

הסרטים עשויים מתערובת של HfO₂ ו-ZrO₂ גדל על ידי שקיעת שכבה אטומית, תוך שימוש בחומרים וטכניקות סטנדרטיות מייצור שבבים תעשייתיים. בהתאם ליחס בין שני המרכיבים, הסרטים יכולים להיות פרו-אלקטריים, כאשר למבנה הגביש יש קיטוב חשמלי מובנה, או אנטי-פרואלקטרי, שבו ניתן להכניס את המבנה למצב קוטבי על-ידי הפעלת שדה חשמלי. כאשר הקומפוזיציה מכווננת בדיוק כמו שצריך, השדה החשמלי שנוצר על ידי טעינת הקבל מאזן את הסרטים בנקודת המפנה בין הסדר הפרו-אלקטרי לאנטי-פרואלקטרי, וחוסר היציבות הזה מולידה את אפקט הקיבול השלילי שבו ניתן לקטב את החומר בקלות אפילו על ידי חומר קטן. שדה חשמלי.

"תא יחידה זה באמת רוצה להיות מקוטב במהלך מעבר הפאזה, מה שעוזר לייצר מטען נוסף בתגובה לשדה חשמלי", אמר Suraj Cheema, פוסט דוקטורט בקבוצתו של סלאהודין ואחד הכותבים הראשיים של המאמר. "תופעה זו היא דוגמה אחת להשפעה של קיבולת שלילית, אבל אתה יכול לחשוב עליה כעל דרך ללכוד הרבה יותר מטען ממה שהיית עושה בדרך כלל", הוסיף נירמן שנקר, סטודנט לתואר שני בקבוצתו של סלאחודין, מחבר משותף.

כדי להגדיל את יכולת אחסון האנרגיה של הסרטים, הצוות היה צריך להגדיל את עובי הסרט מבלי לאפשר לו להירגע מהמצב האנטי-פרואלקטרי-פרואלקטרי המתוסכל. הם גילו שעל ידי שילוב שכבות דקות של תחמוצת אלומיניום אחרי כל כמה שכבות של HfO₂-ZrO₂הם יכולים לגדל את הסרטים בעובי של עד 100 ננומטר תוך שמירה על המאפיינים הרצויים.

לבסוף, עבודה עם משתפי פעולה ב- MIT מעבדת לינקולן, החוקרים שילבו את הסרטים לתוך מבני מיקרו-קבלים תלת מימדיים, והגדילו את הסרטים המרובדים במדויק בתעלות עמוקות חתוכות לסיליקון ביחסי גובה-רוחב של עד 100:1. מבני קבלים תלת מימדיים אלו משמשים קבלי DRAM של ימינו ויכולים להשיג קיבול גבוה בהרבה ליחידת רגל בהשוואה לקבלים מישוריים, מה שמאפשר מזעור וגמישות עיצובית רבה יותר. המאפיינים של המכשירים המתקבלים שוברי שיא: בהשוואה לקבלים האלקטרוסטטיים הטובים ביותר כיום, למיקרו-קבלים אלו צפיפות אנרגיה גבוהה פי תשעה וצפיפות הספק גבוהה פי 170 (80 mJ-cm-2 ו-300 kW-cm-2, בהתאמה) .

"צפיפות האנרגיה והכוח שקיבלנו גבוהות בהרבה ממה שציפינו", אמר סלאחודין. "פיתחנו חומרים בעלי קיבול שלילי במשך שנים רבות, אבל התוצאות הללו היו די מפתיעות."

כיוונים עתידיים

מיקרו-קבלים בעלי ביצועים גבוהים אלה יכולים לעזור לענות על הדרישה ההולכת וגוברת לאחסון אנרגיה יעיל וממוזער במכשירי מיקרו כגון חיישני האינטרנט של הדברים, מערכות מחשוב קצה ומעבדי בינה מלאכותית. החוקרים עובדים כעת על הגדלה של הטכנולוגיה ושילובה בשבבים בגודל מלא, כמו גם לדחוף את מדע החומרים הבסיסי קדימה כדי לשפר את הקיבול השלילי של הסרטים הללו אפילו יותר.

"עם הטכנולוגיה הזו, נוכל סוף סוף להתחיל לממש אחסון אנרגיה ואספקת חשמל משולבים בצורה חלקה על-שבב בגדלים קטנים מאוד", אמר Cheema. "זה יכול לפתוח תחום חדש של טכנולוגיות אנרגיה למיקרואלקטרוניקה."

חלקים מעבודה זו נערכו ב- Molecular Foundry, מתקן משתמש של משרד הננו-מדעי של DOE Office of Science הממוקם במעבדת ברקלי. המחקר קיבל תמיכה ממשרד המדע של משרד האנרגיה, המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים, הסוכנות להפחתת איומי ההגנה (DTRA) ושר ההגנה למחקר והנדסה.