La búsqueda de dispositivos más pequeños y energéticamente eficientes ha llevado a los investigadores a explorar la integración del almacenamiento de energía directamente en los microchips, minimizando así las pérdidas de energía que ocurren al transferir potencia entre diferentes componentes. Aunque la idea no es nueva, la tecnología actual ha tenido dificultades para cumplir con los requisitos de almacenar suficiente energía en un espacio compacto y al mismo tiempo entregarla rápidamente.
Científicos del Lawrence Berkeley National Laboratory y de la Universidad de California, Berkeley, han creado «microcapacitores» que abordan este desafío, según un estudio publicado en la revista Nature. Fabricados a partir de películas delgadas de óxido de hafnio y óxido de zirconio, estos capacitores utilizan materiales y técnicas de fabricación comúnmente empleados en la manufactura de chips. Lo que los distingue es su capacidad para almacenar significativamente más energía que los capacitores convencionales, gracias al uso de materiales de capacitancia negativa.
Los capacitores son uno de los componentes básicos de los circuitos eléctricos. Almacenan energía en un campo eléctrico establecido entre dos placas metálicas separadas por un material dieléctrico (sustancia no metálica). Pueden entregar energía rápidamente y tienen una vida útil más larga que las baterías, que almacenan energía en reacciones electroquímicas. Sin embargo, estos beneficios vienen con el costo de densidades de energía significativamente más bajas. Esta limitación se hace aún más evidente cuando se reduce el tamaño a microcapacitores para el almacenamiento de energía en chip.
Los investigadores superaron este obstáculo mediante la ingeniería de películas delgadas de HfO2-ZrO2 para lograr un efecto de capacitancia negativa. Ajustando la composición de manera precisa, lograron que el material se polarizara fácilmente con un pequeño campo eléctrico.
Para escalar la capacidad de almacenamiento de energía de las películas, el equipo colocó capas atómicamente delgadas de óxido de aluminio cada pocas capas de HfO2-ZrO2, lo que les permitió hacer crecer las películas hasta 100 nm de grosor mientras retenían las propiedades deseadas.
Estas películas se integraron en estructuras tridimensionales de microcapacitores, logrando propiedades récord: una densidad de energía nueve veces mayor y una densidad de potencia 170 veces mayor en comparación con los mejores capacitores electrostáticos actuales.
«Las densidades de energía y potencia que obtuvimos son mucho mayores de lo que esperábamos», dijo Sayeef Salahuddin, científico principal en Berkeley Lab, profesor de UC Berkeley y líder del proyecto. «Hemos estado desarrollando materiales de capacitancia negativa durante muchos años, pero estos resultados fueron bastante sorprendentes».
La tecnología podría ayudar a satisfacer la creciente demanda de almacenamiento de energía miniaturizado en microdispositivos como el IoT, sistemas de computación en el borde y procesadores de IA.
«Con esta tecnología, finalmente podemos comenzar a realizar el almacenamiento de energía y la entrega de potencia integrados en chip en tamaños muy pequeños», dijo Suraj Cheema, uno de los autores principales del artículo. «Puede abrir un nuevo ámbito de tecnologías energéticas para la microelectrónica».
