تكسر المكثفات الصغيرة الجديدة حواجز كثافة الطاقة والطاقة.

• علماء مختبر بيركلي يبتكرون ميكروكاباستورات ذات كثافة طاقة وطاقة فائقة.
• تم إنشاء الميكروكاباستورات باستخدام أغشية رقيقة هندسيًا من أكسيد الهافنيوم وأكسيد الزركونيوم.
• يمكن أن تؤدي هذه التقنية إلى جعل الأجهزة ميكروإلكترونية أصغر حجمًا وأسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.

قدم علماء مختبر لورنس بيركلي الوطني مكثفات صغيرة مع كثافة طاقة وطاقة فائقة، ممهدة الطريق لتخزين الطاقة على الرقائق داخل الأجهزة الإلكترونية. عارض كثير من القراء على شمول سرب مكثفات على لوحات اللوحات الأم للكمبيوتر ولوحات دوائر الرقائق السيليكون عالية الطاقة الأخرى.

تمهيداً للعثورات، التي نُشرت في مجلة Nature, تمهد الطريق لـتخزين الطاقة وتوصيلها بطريقة متقدمة على الرقائق داخل الإلكترونيات من الجيل القادم.

في سعيهم المستمر لجعل الأجهزة الإلكترونية أصغر حجماً وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة، يرغب الباحثون في جلب تخزين الطاقة مباشرة إلى رقائق الأشباه الموصلة، لتقليل الخسائر التي تُلحق عند نقل الطاقة بين مكونات الأجهزة المختلفة. ليكون التخزين على الرقائق فعالاً، يجب أن يكون قادراً على تخزين كمية كبيرة من الطاقة في مساحة صغيرة جداً وتوفيرها بسرعة عند الحاجة - متطلبات لا يمكن تلبيتها بتقنيات التخزين الحالية.

للتغلب على هذا التحدي، حقق علماء في مختبر لورنس بيركلي الوطني (Berkeley Lab) وجامعة UC Berkeley كثافات طاقة وطاقة قياسية في مكثفات صغيرة مصنوعة من أغشية رقيقة مهندسة من أكسيد الهافنيوم وأكسيد الزركونيوم، باستخدام مواد وتقنيات تصنيع موجودة بالفعل في تصنيع الرقائق.

تحققت المكثفات الصغيرة المصنوعة من أفلام هافنيوم الهندسية / أكسيد الزركونيوم في 3D مكثفات الخندق - نفس الهياكل المستخدمة في الأشباه الموصلة الحديثة - من مخزنة طاقة تاريخية وكثافة طاقة، ممهدة الطريق لتخزين الطاقة على الرقائق. اعتمد الصور: نيرمان شانكر/سوراج شيما، مختبر لورنس بيركلي الوطني. انقر على رابط إعلان الصحفي لمزيد من الصور كبيرة.

شرح صائف صلاح الدين، كبير العلماء في هيئة مختبر بيركلي وأستاذ جامعة UC Berkeley الذي قاد المشروع، قائلاً: "أظهرنا أنه من الممكن تخزين الكثير من الطاقة في مكثفات صغيرة مصنوعة من أفلام رقيقة مهندسة، أكثر بكثير مما هو ممكن باستخدام المكثفات العادية. الأمر الأكثر أهمية هو أننا نفعل ذلك باستخدام مواد يمكن معالجتها مباشرة فوق المعالجات الدقيقة."

تأتي هذه البحوث في إطار جهود أوسع في مختبر بيركلي لتطوير مواد وتقنيات جديدة للميكروالكترونيات الأصغر حجماً، وأسرع، وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.

المكثفات هي واحدة من المكونات الأساسية للدوائر الكهربائية، ولكن يمكن استخدامها أيضاً لتخزين الطاقة. على عكس البطاريات، التي تخزن الطاقة من خلال تفاعلات كيميائية، تخزن المكثفات الطاقة في حقل كهربائي ينشأ بين لوحتين معدنيتين مفصولتين بمادة عازلة. يمكن تفريغ المكثفات بسرعة كبيرة عند الحاجة، مما يمكنها من تسليم الطاقة بسرعة، ولا تتدهور مع الدورات المتكررة للشحن والتفريغ، مما يمنحها عمراً أطول بكثير من البطاريات. ومع ذلك، تحتوي عموماً المكثفات على كثافات طاقة أقل بكثير من البطاريات، مما يعني أنها يمكن أن تخزن كمية أقل من الطاقة لكل وحدة حجم أو وزن، ويزداد هذا المشكل عند محاولة تقليل حجمها إلى حجم مكثف صغير لتخزين الطاقة على الرقائق.

في مختبر لورنس بيركلي الوطني، تحقق الباحثون في تحقيق مكثفات صغيرة ذات كثافة طاقة بأداء قياسي من خلال هندسة أفلام رقيقة من HfO2-ZrO2 لتحقيق تأثير السعة السالبة. عادةً ما يؤدي تراكب مادة عازلة على أخرى إلى تقليل السعة الكلية. ومع ذلك، إذا كان إحدى تلك الطبقات مادة سعة سالبة، فإن السعة الكلية تزيد بالفعل. في عمل سابق، أظهر صلاح الدين وزملاؤه استخدام مواد سعة سالبة لإنتاج مفاتيح يمكن تشغيلها بجهود كهربية أقل بشكل كبير من المفاتيح الترانزستورية MOSFET التقليدية. هنا، استغلوا سعة السالبة لإنتاج مكثفات قادرة على تخزين كميات أكبر من الشحن، وبالتالي الطاقة.

تتكون الأفلام البلورية من مزيج من HfO2 وZrO2 يتم نموه بواسطة ترسيب الطبقات الذرية، باستخدام المواد والتقنيات القياسية من تصنيع الرقائق الصناعي. اعتماداً على نسبة المكونين، يمكن أن تكون الأفلام ذاتية الترتيب الكهروحراري، حيث يحتوي التركيب البلوري على تأريض كهربائي مدمج، أو مضاد للترتيب الذاتي الكهروحراري، حيث يمكن تحريك التركيب بحالة قطبية باستخدام حقل كهربائي. عند ضبط التركيب بالشكل الصحيح، يوازن الحقل الكهربائي الناتج من شحن المكثف الأفلام عند نقطة الانقلاب بين ترتيبات الذات الترجحية والمضادة للترجح، وهذه العدم الاستقرار ينتج عنه تأثير السعة السالبة حيث يمكن تشبيه المادة بسهولة بحقل كهربائي صغير حتى.

شرح سوراج شيما، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة صلاح الدين وأحد كبار المؤلفين للورقة، قائلاً: "الوحدة الخلوية ترغب حقا في أن تكون قطبية أثناء التحول المرحلي، مما يساعد على إنتاج شحنة إضافية ردًا على حقل كهربائي. هذه الظاهرة هي مثال واحد على تأثير السعة السالبة ولكن يمكنك أن تعتبرها وسيلة للتقاط مزيد من الشحنة بكمية أكبر مما كانت عليه عادةً." نيرمان شانكر، طالب دكتوراه في مجموعة صلاح الدين، هو أيضًا مشارك كمؤلف رئيسي.

لزيادة قدرة تخزين الطاقة للأفلام، كان من الضروري على الفريق زيادة سمك الأفلام دون السماح لها بالاسترخاء خارج الحالة الكهروحرارية المضطربة من التركيب الذاتي المضاد للترجح-الذاتي الترجح. ووجدوا أنه من خلال تفريق طبقات بسمك ذري رقيق بعد كل عدة طبقات من HfO2-ZrO2، يمكنهم نمو الأفلام بسمك يصل إلى 100 نانومتر مع الاحتفاظ بالخصائص المرغوبة.

أخيراً، بالتعاون مع شركاء في معهد MIT لينكولن، قام الباحثون بدمج الأفلام في هياكل مكثفات ثلاثية الأبعاد، حيث نمت الأفلام المفصولة تماماً في خنادق عميقة قطعت في السيليكون بنسب طولية تصل إلى 100:1. تُستخدم هذه الهياكل الثلاثية الأبعاد لمكثفات الذاكرة الوصول العشوائي الدينامي ويمكنها تحقيق سعة امتصاص أعلى بكثير في كل وحدة مساحة مقارنة بالمكثفات الهيكلية، مما يسمح بتصغير أكبر ومرونة تصميم. وتتميز خصائص الأجهزة الناتجة بأنها تفوق الأجهزة الكهرواستاتيكية اليومية: تحتوي هذه المكثفات الصغيرة على تسعة أضعاف كثافة طاقة أعلى و170 مرة كثافة قدرة أعلى (80 ملليجول-سم-2 و300 كيلو واط-سم-2، على التوالي).

“الطاقة وكثافة القدرة التي حصلنا عليها أعلى بكثير مما كنا نتوقعه،” لفت الدين، “لقد كنا نطور مواد السعة السالبة لسنوات عديدة، ولكن هذه النتائج كانت مفاجئة جدًا.”

يمكن أن تساعد هذه المكثفات الصغيرة ذات الأداء العالي في تلبية الطلب المتزايد على تخزين الطاقة بطريقة فعالة وصغيرة الحجم في الأجهزة الميكروية مثل أجهزة إنترنت الأشياء الاستشعارية، ونظم الحوسبة الموزعة، ومعالجات الذكاء الاصطناعي. يعمل الباحثون الآن على توسيع التكنولوجيا ودمجها في رقائق ميكروية بحجم ك