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对更小、更节能设备的追求促使研究人员探索将能量存储直接集成到微芯片上，从而最大限度地减少不同组件之间传输电力时发生的能量损失。这个想法并不新鲜，但目前的技术一直难以满足在紧凑空间内存储足够能量并快速传输能量的要求。
劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家发明了“微电容器”，以解决这一缺陷，《自然》杂志发表的一项研究强调了这一点。这些电容器由氧化铪和氧化锆的工程薄膜制成，采用了芯片制造中常用的材料和制造技术。它们的独特之处在于，由于使用了负电容材料，它们能够比普通电容器存储更多的能量。
电容器是电路的基本元件之一。它们将能量存储在由介电材料（非金属物质）隔开的两个金属板之间建立的电场中。它们可以快速输送电力，并且比通过电化学反应存储能量的电池寿命更长。
然而，这些好处是以显著降低能量密度为代价的。也许这就是为什么我们只看到像鼠标这样的低功耗设备采用这种技术，而不是像笔记本电脑这样的设备。此外，当将它们缩小到微电容器尺寸以进行片上能量存储时，问题只会更加严重。
研究人员通过设计 HfO2-ZrO2 薄膜来实现负电容效应，从而克服了这一问题。通过适当调整成分，他们能够让材料在即使是很小的电场下也能轻易极化。
为了提高薄膜的能量存储能力，研究团队在 HfO2-ZrO2 的每隔几层放置一层原子级薄的氧化铝层，使得他们能够将薄膜生长至 100 纳米厚，同时保留所需的特性。
这些薄膜被集成到三维微电容器结构中，实现了破纪录的性能：与当今最好的静电电容器相比，能量密度高出 9 倍，功率密度高出 170 倍。这真是巨大的进步。
“我们得到的能量和功率密度比我们预期的要高得多，”伯克利实验室高级科学家、加州大学伯克利分校教授兼项目负责人 Sayeef Salahuddin 表示。“我们多年来一直在开发负电容材料，但这些结果相当令人惊讶。”
该技术有助于满足物联网、边缘计算系统和人工智能处理器等微型设备对微型储能日益增长的需求。
“凭借这项技术，我们终于可以开始实现在极小尺寸的芯片上无缝集成储能和供电，”该论文的主要作者之一苏拉杰·奇马 (Suraj Cheema) 表示。“它可以为微电子开辟一个新的能源技术领域。”
这是一项重大突破，但研究人员还没有就此满足。目前，他们正致力于扩大该技术的规模，并将其集成到全尺寸微芯片中，同时进一步提高薄膜的负电容。
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