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Científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han desarrollado microcapacitores con una densidad de energía y potencia ultrarrápida, abriendo el camino para el almacenamiento de energía en chips en dispositivos electrónicos. Muchos lectores han observado la proliferación de capacitores instalados en placas base de computadoras y otros circuitos de chips de silicio de alto consumo energético.
Los hallazgos, publicados en la revista Nature, allanan el camino para el almacenamiento avanzado de energía y entrega de energía en chips de próxima generación.
En la búsqueda constante por hacer que los dispositivos electrónicos sean cada vez más pequeños y eficientes en energía, los investigadores desean llevar el almacenamiento de energía directamente a los microchips, reduciendo las pérdidas incurridas al transportar la energía entre varios componentes del dispositivo. Para ser efectivo, el almacenamiento de energía en el chip debe poder almacenar una gran cantidad de energía en un espacio muy reducido y entregarla rápidamente cuando sea necesario, requisitos que no pueden cumplirse con las tecnologías actuales.
Abordando este desafío, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y UC Berkeley han logrado densidades récord de energía y potencia en microcapacitores hechos con películas delgadas de óxido de hafnio y óxido de circonio diseñadas, utilizando materiales y técnicas de fabricación ya extendidas en la fabricación de chips.
Los microcapacitores hechos con películas diseñadas de óxido de hafnio/óxido de circonio en estructuras de condensadores de trinchera en 3D —las mismas estructuras utilizadas en microelectrónica moderna— logran un almacenamiento de energía y densidad de potencia récord, abriendo el camino para el almacenamiento de energía en el chip. Crédito de la imagen: Nirmaan Shanker/Suraj Cheema, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Haz clic en el enlace del comunicado de prensa para ver más imágenes de mayor tamaño.
Señaló Sayeef Salahuddin, científico sénior de la facultad de Berkeley Lab y profesor de UC Berkeley, quien dirigió el proyecto, “Hemos demostrado que es posible almacenar mucha energía en microcapacitores hechos con películas delgadas diseñadas, mucho más de lo que es posible con dieléctricos ordinarios. Además, estamos haciendo esto con un material que puede ser procesado directamente sobre microprocesadores.”
Esta investigación forma parte de los esfuerzos más amplios en Berkeley Lab para desarrollar nuevos materiales y técnicas para microelectrónica más pequeña, rápida y eficiente en energía.
Los capacitores son uno de los componentes básicos de los circuitos eléctricos, pero también se pueden utilizar 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 se pueden descargar muy rápidamente cuando se necesite, lo que les permite entregar energía rápidamente, y no se degradan con ciclos repetidos de carga y descarga, lo que les otorga 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 volumen o peso unitario, y ese problema solo empeora cuando intentas reducir su tamaño a la escala de microcapacitores para almacenamiento de energía en chip.
En el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, los investigadores lograron sus microcapacitores récord mediante la ingeniería cuidadosa de películas delgadas de HfO2-ZrO2 para lograr un efecto de capacitancia negativa. Normalmente, la superposición de un material dieléctrico sobre otro resulta en una capacitancia global más baja. Sin embargo, si una de esas capas es un material de capacitancia negativa, entonces la capacitancia global en realidad aumenta. En trabajos anteriores, Salahuddin y colegas demostraron el uso de materiales de capacitancia negativa para producir transistores que pueden funcionar a voltajes sustancialmente más bajos que los transistores MOSFET convencionales. Aquí, utilizaron capacitancia negativa para producir capacitores capaces de almacenar mayores cantidades de carga, y por lo tanto, energía.
Las películas cristalinas están hechas de una mezcla de HfO2 y ZrO2 crecidas por deposición de capas atómicas, utilizando materiales estándar y técnicas de fabricación de chip industriales. 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 empujada hacia un estado polar aplicando un campo eléctrico. Cuando la composición se ajusta adecuadamente, el campo eléctrico creado al cargar el condensador equilibra las películas en el punto de inclinación entre el orden ferroeléctrico y antiferroeléctrico, y esta inestabilidad da lugar al efecto de capacitancia negativa donde el material puede ser polarizado muy fácilmente por un pequeño campo eléctrico.
Suraj Cheema, un posdoctorado en el grupo de Salahuddin y uno de los principales autores del artículo, explicó, “Esa celda unitaria realmente quiere ser polarizada durante la transición de fase, lo que ayuda a producir carga extra en respuesta a un campo eléctrico. Este fenómeno es un ejemplo de un efecto de capacitancia negativa, pero se puede pensar en él como una forma de capturar mucha más carga de la que normalmente tendrías.” Nirmaan Shanker, un estudiante de posgrado en el grupo de Salahuddin, también es coautor principal.
Para aumentar la capacidad de almacenamiento de energía de las películas, el equipo necesitaba aumentar el grosor de las películas sin permitir que se relajaran del estado antiferroeléctrico-ferroeléctrico frustrado. Descubrieron que intercalando capas delgadas atómicas de óxido de aluminio después de cada pocas capas de HfO2-ZrO2, podían hacer crecer las películas hasta 100 nm de grosor y aún retener las propiedades deseadas.
Finalmente, trabajando con colaboradores en el Laboratorio Lincoln del MIT, los investigadores integraron las películas en estructuras de microcapacitores tridimensionales, creciendo las películas con capas precisas y superpuestas en trincheras profundas cortadas en silicio con relaciones de aspecto de hasta 100:1. Estas estructuras de condensadores de trinchera en 3D se utilizan en los condensadores DRAM de hoy en día y pueden lograr una capacitancia mucho más alta por unidad de superficie en comparación con los condensadores planos, lo que permite una mayor miniaturización y flexibilidad de diseño. Las propiedades de los dispositivos resultantes son excepcionales: en comparación con los mejores condensadores electrostáticos de hoy, estos microcapacitores tienen una densidad de energía nueve veces mayor y una densidad de potencia 170 veces mayor (80 mJ-cm-2 y 300 kW-cm-2, respectivamente).
“La energía y la densidad de potencia que obtuvimos son mucho más altas de lo que esperábamos,” señaló Salahuddin. “Hemos estado desarrollando materiales de capacitancia negativa durante muchos años, pero estos resultados fueron bastante sorprendentes.”
Estos microcapacitores de alto rendimiento podrían ayudar a satisfacer la creciente demanda de almacenamiento de energía eficiente y miniaturizado en microdispositivos como sensores de 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, además de impulsar la ciencia de materiales fundamentales para mejorar aún más la capacitancia negativa de estas películas.
Cheema agregó, “Con esta tecnología, finalmente podemos comenzar a lograr el almacenamiento de energía y la entrega de energía integrados en el chip de manera muy pequeña. Puede abrir un nuevo abanico de tecnologías energéticas para la microelectrónica.”
Partes de este trabajo se realizaron en Molecular Foundry, una instalación de usuario de nanociencia de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía ubicada en Berkeley Lab.
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Este desarrollo para una mayor miniaturización es bastante interesante. La idea de que un chip podría sustituir a toda una placa de circuito es casi una revolución en sí misma. Uno se pregunta si habría algo más que ver además de las instalaciones de conexión en el chip. Podría ser que solo se vea una conexión y un disipador de calor.
Es muy probable que la tecnología vea una adopción en el mercado. Por ahora, hay filas de personas soldando placas de circuito en serie por millones.
Esto significa que esta tecnología probablemente será mejor y más barata para los consumidores próximamente. Luego, algún día acabará en un vertedero con muchos menos elementos tóxicos.
Por Brian Westenhaus via New Energy and Fuel
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