Bağlamda: Daha küçük ve enerji açısından daha verimli cihazlara yönelik arayış, araştırmacıları enerji depolamayı doğrudan mikroçiplere entegre etmeyi, böylece güç farklı bileşenler arasında aktarıldığında meydana gelen enerji kayıplarını en aza indirmeyi keşfetmeye yöneltti. Bu fikir tamamen yeni değil, ancak mevcut teknoloji, yeterli enerjiyi kompakt bir alanda depolama ve aynı zamanda hızlı bir şekilde sunma gereksinimlerini karşılamakta zorlandı.
Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı ve UC Berkeley’deki bilim insanları, Nature dergisinde yayınlanan bir çalışmada da vurgulandığı gibi, bu eksikliği gideren “mikrokapasitörler” yarattılar. Hafniyum oksit ve zirkonyum oksitin özel olarak tasarlanmış ince filmlerinden yapılan bu kapasitörler, çip üretiminde yaygın olarak kullanılan malzemeleri ve üretim tekniklerini kullanır. Onları diğerlerinden ayıran şey, negatif kapasitans malzemelerinin kullanımı sayesinde sıradan kapasitörlerden çok daha fazla enerji depolayabilmeleridir.
Kondansatörler elektrik devrelerinin temel bileşenlerinden biridir. Enerjiyi, dielektrik bir malzeme (metalik olmayan madde) ile ayrılmış iki metal plaka arasında oluşturulan bir elektrik alanında depolarlar. Gücü hızlı bir şekilde iletebilirler ve elektrokimyasal reaksiyonlarda enerji depolayan pillerden daha uzun ömürlüdürler.
Ancak bu faydalar, önemli ölçüde daha düşük enerji yoğunlukları pahasına sağlanmaktadır. Belki de bu yüzden dizüstü bilgisayar yerine yalnızca bu teknolojiyle çalışan fare gibi düşük güçlü cihazları gördük. Ayrıca sorun, çip üzerinde enerji depolamak için mikro kapasitör boyutlarına küçültüldüğünde daha da kötüleşiyor.
Araştırmacılar, negatif kapasitans etkisi elde etmek için ince HfO2-ZrO2 filmlerini tasarlayarak bu sorunun üstesinden geldiler. Kompozisyonu doğru şekilde ayarlayarak malzemenin küçük bir elektrik alanıyla bile kolayca polarizasyonunu sağlayabildiler.
Ekip, filmlerin enerji depolama kapasitesini artırmak için her birkaç HfO2-ZrO2 katmanına atomik olarak ince alüminyum oksit katmanları yerleştirdi ve böylece istenen özellikleri korurken filmleri 100 nm kalınlığa kadar büyütmelerine olanak tanıdı.
Bu filmler üç boyutlu mikrokapasitör yapılarına entegre edilerek rekor kıran özelliklere ulaştı: günümüzün en iyi elektrostatik kapasitörleriyle karşılaştırıldığında dokuz kat daha yüksek enerji yoğunluğu ve 170 kat daha yüksek güç yoğunluğu. Bu çok büyük.
Berkeley Laboratuvarı’nda kıdemli bilim insanı, UC Berkeley profesörü ve proje lideri Sayeef Salahuddin, “Elde ettiğimiz enerji ve güç yoğunluğu beklediğimizden çok daha yüksek” dedi. “Yıllardır negatif kapasitans malzemeleri geliştiriyoruz, ancak bu sonuçlar oldukça şaşırtıcıydı.”
Teknoloji, IoT, uç bilgi işlem sistemleri ve yapay zeka işlemcileri gibi mikro cihazlarda minyatür enerji depolamaya yönelik artan talebin karşılanmasına yardımcı olabilir.
Makalenin önde gelen yazarlarından biri olan Suraj Cheema, “Bu teknolojiyle, nihayet enerji depolamayı ve çip üzerinde sorunsuz bir şekilde entegre edilmiş güç dağıtımını çok küçük boyutlarda gerçekleştirmeye başlayabiliriz” dedi. “Mikroelektronik için yeni bir enerji teknolojileri alanı açabilir.”
Bu büyük bir buluş, ancak araştırmacılar henüz başarılarının üzerinde durmuyorlar. Şimdi teknolojinin ölçeğini büyütmek ve onu tam boyutlu mikroçiplere entegre etmek ve aynı zamanda filmlerin negatif kapasitansını daha da geliştirmek üzerinde çalışıyorlar.