充电速度比锂离子电池快一亿倍的电容器

集成到芯片表面的微型电容器可以使计算更加节能，延长起搏器等植入医疗设备的使用寿命，并帮助为小型机器人提供动力。得益于材料科学技巧，工程师们制造出的电容器在给定面积内可存储 9 倍的能量并提供 170 倍的功率。这些微小但功能强大的电容器可以使用与制造 DRAM 相同的材料和技术来制造。

电容器由介电材料制成并在电场中存储能量。与利用化学反应来储存能量的电池相比，它们非常耐用，可以提供高功率水平和快速充电。但电容器的能量密度（在给定面积内可以存储的能量）通常远低于电池。这使得将它们缩小到芯片尺寸变得特别具有挑战性。

一个工程师团队通过采用复合材料中出现的一些奇怪的电子特性来解决这个限制。他们制作了氧化铪和氧化锆的复合薄膜，该薄膜表现出自发电极化。一些区域是铁电性的，所有偶极子都指向相同的方向，而另一些区域是反铁电性的，偶极子指向多个方向，因此这些区域无法存储电荷。当对这些材料施加电场时，反铁电区域会转变，变成铁电体，并且薄膜可以存储大量电荷——比严格的铁电材料多得多。

麻省理工学院的材料科学家Suraj Cheema表示，这种所谓的负电容效应意味着“你可以获得更多的电荷存储”。Cheema 是加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授Sayeef Salahuddin博士后期间开发新型微电容器设备的团队的一员。

但仅靠负电容不足以制造具有高能量密度的微电容器——这些层只有 2 纳米厚。该团队必须弄清楚如何使这些薄膜更厚，同时保持其负电容背后的独特晶体结构。他们能够通过分层一些非晶态氧化铝来构建 100 纳米厚的电容器。该中断层从每个覆盖层中“隐藏”介电材料的结构，确保整个材料保持正确的晶体结构。

为了在不增加面积的情况下进一步提高这些设备的能量密度，研究人员使用了当今 DRAM 单元电容器中常见的设计。这些 3D 结构是在硅芯片表面挖出的 U 形沟槽。该设计在给定的占地面积内包含了更多的电荷存储材料。沟槽电容器可以通过原子层沉积（ALD）来制造。该技术与半导体制造兼容，但很难扩大规模，为电动汽车等产品制造更大的电容器。

Cheema 表示，微型电容器每平方厘米可存储 80 毫焦耳的能量，仅比锂离子电池小一个数量级。但是，虽然微型电池在高端只能充电 1,000 次，但这些微型电容器可以充电数十亿次。Cheema 说，它们的充电速度快了一亿倍。

“这是一种智能工程方法，导致能量密度取得重大进步，”未参与这项工作的德雷克塞尔大学材料科学家尤里·戈戈西 (Yury Gogotsi)说道。他后来在电子邮件中补充道，“考虑到每部手机中约有 1,000 个多层陶瓷片式电容器，一辆汽车中约有 3,000 至 8,000 个，这项技术的影响可能非常重大。”

就目前的形式而言，该技术可用于增加 DRAM 中的电荷存储。这些设备还可用于使电源更接近计算机芯片上的处理器，从而节省目前在运输过程中损失的能源。

如果电容器可以按比例放大，它们可以在机器人和手机等大型设备中得到应用。Cheema 目前正在利用麻省理工学院林肯实验室的设施，将这些单独的微电容器连接起来，制造更大的能量存储设备。能量密度可以用平方厘米来测量，但到目前为止他们只制造了 50 微米 x 1 微米的设备。

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