Os cientistas desenvolveram capacitores ultracapacitores para integração em chips – isso reduzirá significativamente o consumo de energia

Hoje todos estão preocupados com o consumo de energia. A era da energia barata acabou e as questões climáticas tornaram-se muito mais importantes. Isso se aplica plenamente à microeletrônica, que passou a consumir energia não em escala micro, mas em escala macro, exigindo diretamente a instalação de servidores em usinas nucleares. Um novo desenvolvimento de cientistas norte-americanos promete reduzir o consumo de chips e até mesmo movimentar “baterias” dentro dos chips.

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A descoberta foi feita por cientistas do Laboratório Nacional. Lawrence Berkeley e a Universidade da Califórnia. Porém, eles passaram muitos anos caminhando em direção ao resultado alcançado, estudando o que é chamado de “capacitância negativa” em materiais. Para o mundo físico, este é um conceito difícil de imaginar. Mas para uma série de fenômenos físicos em ferroelétricos esta é a norma.

Como é sabido, os ferroelétricos alteram a polarização da estrutura cristalina sob a influência de um campo eletromagnético externo. A mudança na polarização compensa o valor da capacitância “física” do material, que é, por assim dizer, ocultada pela capacitância negativa. Como resultado, a porta de um transistor com tal material, em vez de um isolador clássico (dielétrico), passa a operar com uma tensão mais baixa, o que representa uma economia direta de energia, que seria parcialmente convertida em calor. O material também é capaz de armazenar energia, que pode então ser usada para fornecer energia ao chip.

Para criar o supercapacitor, os cientistas usaram os conhecidos ferroelétricos de óxido de háfnio e óxido de zircônio (HfO2-ZrO2). Uma inovação foi a seleção de lacunas e outros parâmetros geométricos no arranjo de camadas de material de película fina com camadas de óxido de alumínio. Segundo relatos, foi possível criar uma estrutura de até 10 mm de espessura. Mas, muito provavelmente, houve um erro de digitação na fonte, porque as estruturas de película fina têm maior probabilidade de fornecer uma espessura da ordem de nanômetros ou micrômetros.

Os testes de laboratório do novo material mostraram que ele pode armazenar 9 vezes mais energia e tem capacidade de armazenamento de energia 170 vezes maior.

Sayeef Salahuddin, cientista sênior do Berkeley Lab, professor da Universidade da Califórnia e líder do projeto, disse: “A energia e a densidade de potência que alcançamos são muito maiores do que esperávamos. Há muitos anos que desenvolvemos materiais com capacitância negativa, mas estes resultados foram bastante inesperados.”

Suraj Cheema, um dos principais autores do artigo, acrescentou: “Com esta tecnologia, podemos finalmente começar a realizar o armazenamento e o fornecimento de energia integrados em um chip muito pequeno. Isso poderia abrir uma nova área de tecnologia energética para microeletrônica.”