Tiny Titans: Mikrokapasitor Revolusioner Akan Meningkatkan Perangkat Elektronik Generasi Berikutnya

Mikrokapasitor baru yang dikembangkan oleh para ilmuwan menunjukkan rekor kepadatan energi dan daya, membuka jalan bagi penyimpanan energi dalam chip di perangkat elektronik.

Para peneliti berupaya untuk membuat perangkat elektronik lebih kecil dan lebih hemat energi dengan mengintegrasikan penyimpanan energi langsung ke microchip. Pendekatan ini meminimalkan kehilangan energi yang terjadi ketika daya ditransfer antar komponen perangkat yang berbeda. Agar efektif, penyimpanan energi dalam chip harus mampu menyimpan sejumlah besar energi dalam ruang yang kompak dan menyalurkannya dengan cepat. Namun, teknologi yang ada tidak dapat memenuhi persyaratan ini.

Terobosan dalam Mikrokapasitor

Para ilmuwan di Lawrence Berkeley Nationwide Laboratory (Berkeley Lab) dan UC Berkeley telah mengambil langkah signifikan untuk mengatasi tantangan ini, dengan baru-baru ini mencapai rekor kepadatan energi dan daya dalam mikrokapasitor. Kapasitor ini terbuat dari movie tipis hafnium oksida dan zirkonium oksida yang direkayasa, menggunakan bahan dan teknik fabrikasi yang umum dalam pembuatan chip. Diterbitkan di jurnal Alamtemuan mereka dapat merevolusi penyimpanan energi dalam chip dan penyaluran daya pada elektronik generasi mendatang.

“Kami telah menunjukkan bahwa menyimpan banyak energi dalam mikrokapasitor yang terbuat dari movie tipis yang direkayasa adalah hal yang mungkin, jauh lebih banyak dibandingkan dengan dielektrik biasa,” kata Sayeef Salahuddin, ilmuwan senior di Lab Berkeley, profesor dan proyek di UC Berkeley. memimpin. “Terlebih lagi, kami melakukan ini dengan materials yang dapat diproses langsung di atas mikroprosesor.” Penelitian ini merupakan bagian dari upaya yang lebih luas di Berkeley Lab untuk mengembangkan bahan dan teknik baru untuk mikroelektronika yang lebih efisien.

Mikrokapasitor dibuat dengan movie hafnium oksida/zirkonium oksida yang direkayasa dalam struktur kapasitor parit 3D – struktur yang sama yang digunakan dalam mikroelektronik trendy – mencapai penyimpanan energi dan kepadatan daya yang mencapai rekor tinggi, sehingga membuka jalan bagi penyimpanan energi dalam chip. Kredit: Nirmaan Shanker/Suraj Cheema

Dasar-Dasar dan Tantangan Kapasitor

Kapasitor adalah salah satu komponen dasar rangkaian listrik tetapi juga dapat digunakan untuk menyimpan energi. Tidak seperti baterai, yang menyimpan energi melalui reaksi elektrokimia, kapasitor menyimpan energi dalam medan listrik yang terbentuk di antara dua pelat logam yang dipisahkan oleh bahan dielektrik. Kapasitor dapat dikosongkan dengan sangat cepat bila diperlukan, sehingga memungkinkannya mengalirkan daya dengan cepat. Selain itu, baterai ini tidak mengalami degradasi jika terjadi siklus pengisian-pengosongan yang berulang, sehingga memberikan masa pakai yang jauh lebih lama dibandingkan baterai. Namun, kapasitor umumnya memiliki kepadatan energi yang jauh lebih rendah daripada baterai, yang berarti kapasitor dapat menyimpan lebih sedikit energi per satuan quantity atau berat, dan masalah tersebut semakin parah ketika Anda mencoba mengecilkannya ke ukuran mikrokapasitor untuk penyimpanan energi dalam chip.

Sayeef Salahuddin (kiri) dan Nirmaan Shanker di lab. Kredit: Marilyn Sargent/Berkeley Lab

Metodologi dan Hasil Penelitian

Para peneliti menciptakan mikrokapasitor revolusioner mereka dengan merekayasa movie tipis HfO secara hati-hati₂-ZrO₂ untuk mencapai efek kapasitansi negatif. Biasanya, melapisi satu bahan dielektrik di atas bahan dielektrik lainnya menghasilkan kapasitansi yang lebih rendah secara keseluruhan. Namun, jika salah satu lapisan tersebut adalah bahan kapasitansi negatif, maka kapasitansi keseluruhan justru meningkat. Dalam penelitian sebelumnya, Salahuddin dan rekannya mendemonstrasikan penggunaan bahan kapasitansi negatif untuk menghasilkan transistor yang dapat dioperasikan pada tegangan yang jauh lebih rendah dibandingkan transistor MOSFET konvensional. Di sini, mereka memanfaatkan kapasitansi negatif untuk menghasilkan kapasitor yang mampu menyimpan muatan dalam jumlah lebih besar, dan juga energi.

Movie-film tersebut dibuat dari campuran HfO₂ dan ZrO₂ ditanam melalui pengendapan lapisan atom, menggunakan bahan dan teknik standar dari fabrikasi chip industri. Tergantung pada rasio kedua komponen, movie dapat bersifat feroelektrik, dimana struktur kristal mempunyai polarisasi listrik bawaan, atau antiferoelektrik, dimana struktur dapat didorong ke keadaan polar dengan menerapkan medan listrik. Ketika komposisi disetel dengan tepat, medan listrik yang dihasilkan oleh pengisian kapasitor akan menyeimbangkan movie pada titik kritis antara tatanan feroelektrik dan antiferoelektrik, dan ketidakstabilan ini menimbulkan efek kapasitansi negatif di mana materials dapat dengan mudah terpolarisasi bahkan dalam jumlah kecil. Medan listrik.

“Sel satuan tersebut benar-benar ingin terpolarisasi selama transisi fase, yang membantu menghasilkan muatan tambahan sebagai respons terhadap medan listrik,” kata Suraj Cheema, seorang postdoc di kelompok Salahuddin dan salah satu penulis utama makalah tersebut. “Fenomena ini adalah salah satu contoh efek kapasitansi negatif namun Anda dapat menganggapnya sebagai cara menangkap muatan jauh lebih banyak dari biasanya,” tambah Nirmaan Shanker, mahasiswa pascasarjana di kelompok Salahuddin, dan salah satu penulis utama.

Untuk meningkatkan kemampuan penyimpanan energi movie, tim perlu meningkatkan ketebalan movie tanpa membiarkannya keluar dari kondisi antiferroelektrik-feroelektrik yang membuat frustrasi. Mereka menemukannya dengan menyelingi lapisan tipis aluminium oksida secara atom setelah setiap beberapa lapisan HfO₂-ZrO₂mereka dapat menumbuhkan movie dengan ketebalan hingga 100 nm dengan tetap mempertahankan sifat yang diinginkan.

Terakhir, bekerja sama dengan kolaborator di MIT Di Laboratorium Lincoln, para peneliti mengintegrasikan film-film tersebut ke dalam struktur mikrokapasitor tiga dimensi, menumbuhkan lapisan movie yang tepat di parit dalam yang dipotong menjadi silikon dengan rasio aspek hingga 100:1. Struktur kapasitor parit 3D ini digunakan pada kapasitor DRAM saat ini dan dapat mencapai kapasitansi per unit tapak yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan kapasitor planar, sehingga memungkinkan miniaturisasi dan fleksibilitas desain yang lebih besar. Sifat-sifat perangkat yang dihasilkan memecahkan rekor: dibandingkan dengan kapasitor elektrostatik terbaik saat ini, mikrokapasitor ini memiliki kepadatan energi sembilan kali lebih tinggi dan kepadatan daya 170 kali lebih tinggi (masing-masing 80 mJ-cm-2 dan 300 kW-cm-2) .

“Kepadatan energi dan daya yang kami peroleh jauh lebih tinggi dari yang kami harapkan,” kata Salahuddin. “Kami telah mengembangkan bahan kapasitansi negatif selama bertahun-tahun, namun hasil ini cukup mengejutkan.”

Arah masa depan

Mikrokapasitor berperforma tinggi ini dapat membantu memenuhi permintaan yang terus meningkat akan penyimpanan energi mini yang efisien pada perangkat mikro seperti sensor Web-of-Issues, sistem komputasi edge, dan prosesor kecerdasan buatan. Para peneliti sekarang berupaya untuk meningkatkan teknologi dan mengintegrasikannya ke dalam microchip ukuran penuh, serta mendorong ilmu materials dasar untuk lebih meningkatkan kapasitansi negatif film-film ini.

“Dengan teknologi ini, kami akhirnya dapat mulai mewujudkan penyimpanan energi dan penyaluran daya yang terintegrasi secara mulus dalam sebuah chip dalam ukuran yang sangat kecil,” kata Cheema. “Hal ini dapat membuka bidang baru teknologi energi untuk mikroelektronika.”

Referensi: “Penyimpanan energi raksasa dan superlattices kapasitansi negatif kepadatan daya” oleh Suraj S. Cheema, Nirmaan Shanker, Shang-Lin Hsu, Joseph Schaadt, Nathan M. Ellis, Matthew Cook dinner, Ravi Rastogi, Robert CN Pilawa-Podgurski, Jim Ciston, Mohamed Mohamed dan Sayeef Salahuddin, 9 April 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07365-5

Bagian dari pekerjaan ini dilakukan di Molecular Foundry, fasilitas pengguna nanosains DOE Workplace of Science yang berlokasi di Berkeley Lab. Penelitian ini mendapat dukungan dari Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi, Kantor Ilmu Energi Dasar, Badan Pengurangan Ancaman Pertahanan (DTRA), dan Menteri Pertahanan Bidang Riset dan Teknik.