突破性微電容器可能為未來晶片提供動力

科學家開發超高能量和功率密度的微型電容器

在不斷追求縮小電子設備尺寸和提高能效的過程中，研究人員希望將能量儲存技術直接集成到微晶片上，從而減少在不同設備組件之間傳輸電力所造成的損失。為了達到這一目的，晶片內的能量儲存必須能在非常小的空間內儲存大量能量，並在需要時迅速釋放——這些要求是現有技術無法滿足的。

研究成果與技術背景

針對這一挑戰，洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）和加州大學伯克利分校（UC Berkeley）的科學家們使用工程薄膜的鋅鋁氧化物（hafnium oxide）和鋯氧化物（zirconium oxide），在微型電容器中實現了創紀錄的能量密度和功率密度。這些研究成果已發表在《自然》期刊上，為下一代電子產品的先進晶片能量儲存和電力傳遞鋪平了道路。

「我們已經證明，使用工程薄膜製成的微型電容器可以儲存大量能量，這遠超過普通介電材料的儲存能力，」項目負責人、伯克利實驗室的資深科學家和加州大學教授薩耶夫·薩拉胡丁（Sayeef Salahuddin）表示。「更重要的是，我們使用的材料可以直接在微處理器上方加工。」

FAQ：微型電容器的優勢

什麼是微型電容器？

微型電容器是一種小型化的能量儲存裝置，具有快速放電的能力。

為什麼微型電容器對未來電子產品重要？

它們有助於減少不同電子元件間的能量傳輸損失，並能高效儲存能量。

這項技術的未來應用有哪些？

這些微型電容器有望應用在物聯網、邊緣計算及人工智慧應用中，滿足對高效能能量儲存的需求。

電容器的功能與比較

電容器是電路的基本組件之一，除了可以用來儲存能量，還可以快速釋放所儲存的電力。與透過電化學反應儲存能量的電池不同，電容器是在兩個金屬板之間建立的電場來儲存能量，這些金屬板則由介電材料分隔。電容器可以在需要時快速釋放電力，並且在反复充放電的過程中不易降解，因此其壽命比電池更長。然而，電容器的能量密度通常低於電池，這使得在微型電容器尺寸上儲存能量的挑戰更為嚴峻。

研究人員透過精心設計的HfO2-ZrO2薄膜來實現創紀錄的微型電容器，達到負電容效應。這一過程中，研究團隊成功利用負電容材料，使微型電容器能夠儲存更多電荷，從而提高能量儲存量。

研究進一步的發展方向

要提高薄膜的能量儲存能力，團隊需要增加薄膜的厚度，同時保持其核心性能。透過插入原子薄的氧化鋁層進行層疊，他們能夠在保留所需特性的情況下，使薄膜增厚至100納米。

最終，團隊與麻省理工學院林肯實驗室的合作夥伴將這些薄膜整合到三維微型電容器結構中，使用深凹槽技術來製作出精確的薄膜排列。這些3D凹槽電容器結構能提供比平面電容器更高的電容密度，有助於進一步的迷你化與設計靈活性。

「我們獲得的能量和功率密度遠高於我們的預期，」薩拉胡丁表示。「我們已研發負電容材料多年，但這些結果仍然令人驚訝。」

這些高性能的微型電容器可能成為未來電子設備中高效能、miniaturized能量儲存的重要解決方案。研究人員目前正致力於將這項技術擴展到全尺寸的微晶片，同時提升基礎材料科學以進一步改善這些材料的性能。

「通過這項技術，我們終於能夠在非常小的尺寸中實現能量儲存與電力傳遞的無縫集成，」奇馬說。「這將為微電子技術開辟新的能源技術領域。」

這項工作的部分內容在位於伯克利實驗室的能源部（DOE）科學辦公室的納米科學用戶設施中進行。

這項研究得到了能源部科學辦公室、基礎能源科學辦公室、防務威脅減少局（DTRA）以及國防部科研與工程部的支持。

---

Meta Title: 突破性微型電容器研發 | 洛倫斯伯克利國家實驗室的科技創新

Meta Description: 洛倫斯伯克利國家實驗室科學家研發的高性能微型電容器，擁有超高能量和功率密度，為電子設備的內部能量儲存提供全新解決方案。

---

洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。