Nel tentativo di creare dispositivi più piccoli ed efficienti dal punto di vista energetico, i ricercatori stanno lavorando per integrare i sistemi di stoccaggio dell’energia direttamente sui microchip, riducendo così al minimo la perdita di energia durante il trasferimento tra i componenti. I ricercatori del Lawrence Berkeley Laboratory e dell’Università della California, Berkeley, hanno sviluppato “microcondensatori” che risolvono questo problema.
Realizzati con film sottili di ossido di afnio e ossido di zirconio, questi condensatori utilizzano materiali e metodi di produzione già utilizzati nella produzione di chip. Ciò che rende unici i nuovi microcondensatori è la loro capacità di immagazzinare molta più energia grazie all’utilizzo di materiali con capacità negativa.
I condensatori sono i componenti di base dei circuiti elettrici che immagazzinano energia in un campo elettrico tra due piastre metalliche separate da un dielettrico. Sono in grado di rilasciare rapidamente energia e hanno una durata maggiore rispetto alle batterie. Tuttavia, i condensatori tradizionali hanno una bassa densità di energia, che ne ha limitato l’uso in applicazioni ad alta potenza.
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I ricercatori hanno superato queste limitazioni sviluppando film sottili di HfO2-ZrO2 con un effetto capacitivo negativo. Ottimizzando la composizione, hanno ottenuto una facile polarizzazione del materiale anche con un piccolo campo elettrico. Per aumentare la capacità dei film, il team ha aggiunto strati atomicamente sottili di ossido di alluminio attraverso diversi strati di HfO2-ZrO2, che hanno permesso loro di aumentare lo spessore del film fino a 100 nm mantenendo le proprietà desiderate.
Questi film sono stati integrati in strutture tridimensionali di microcondensatori, raggiungendo livelli di prestazioni record con una densità di energia nove volte superiore e una densità di potenza 170 volte superiore rispetto ai migliori condensatori elettrostatici. Tali progressi aprono nuove opportunità per la miniaturizzazione dei sistemi di accumulo dell’energia nei microdispositivi, come i dispositivi Internet of Things (IoT), i sistemi edge computing e i processori di intelligenza artificiale.
La fase successiva del lavoro dei ricercatori riguarderà l’ampliamento della tecnologia e la sua integrazione in microchip a tutti gli effetti con un ulteriore miglioramento della capacità negativa delle pellicole.
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