在不断追求电子设备更小、更节能的过程中，科学家们正尝试将能量存储集成到微芯片中，以减少能量在设备组件间传输产生的损耗。
近日，美国劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的研究人员使用芯片制造中已被广泛使用的材料和技术，在HfO2-ZrO2(氧化铪和氧化锆)薄膜制成的微电容器中实现了创纪录级别的高能量密度和功率密度，这一成果极大的推动了片上能量存储和电力传输领域的研究进程。


微电容器结构
电容器作为电路的基本元件之一，也可用于存储能量，但与通过电化学反应存储能量的电池不同，电容器在需要时可以非常快速地放电，从而能够快速提供电力，并且它们不会因重复的充放电循环而退化，从而使它们的使用寿命比电池长得多。不过相对来说，电容器的能量密度通常要比电池低得多，这意味着它们每单位体积或重量可以存储的能量更少，当我们试图将它们缩小到微电容器尺寸来进行片上能量存储时，这一问题尤为明显。
通常情况下，在一种介电材料上叠加另一种介电材料会导致整体电容降低，但如果其中一层是负电容材料，那么整体电容实际上会增加。因此研究人员设计了HfO2-ZrO2薄膜来实现负电容效应，也就变相增加了总电容，使微电容器能够存储更多电荷和能量。
同时，为了增加薄膜厚度而不削弱其负电容效应，从而进一步扩大薄膜的能量存储能力，研究人员每隔几层HfO2-ZrO2薄膜就叠加一层原子级的薄层氧化铝，最终成功让薄膜增长至100nm厚，并且还能保留所需的性能。将这些薄膜集成到3D微电容器结构中，并将其用于目前已有的DRAM电容器，与当今最好的静电电容器相比，这些微电容器的能量密度要高出9倍，功率密度要高出170倍。
据悉，这项技术的出现，意味着我们已经可以开始着手实现在非常小的尺寸下的片上无缝集成能量存储和电力传输，而这些高性能微电容器可以帮助满足物联网传感器、边缘计算系统和人工智能处理器等微型设备对高效、小型化能量存储日益增长的需求。