A busca constante pela criação de dispositivos electrónicos mais eficientes do ponto de vista energético, levou à ideia de integrar sistemas de armazenamento de energia directamente nos microchips, para minimizar as perdas de energia que ocorrem quando esta é transferida entre os componentes. A ideia não é nova, mas esta tecnologia tem-se deparado com dificuldades a atingir o objectivo de armazenar energia suficiente em espaços de pequenas dimensões e, ao mesmo tempo, conseguir entregá-la rapidamente.
De acordo com um artigo publicado na revista Nature, uma equipa do Lawrence Berkeley National Laboratory e da UC Berkeley conseguiu criar ‘microcondensadores’ que resolvem as dificuldades relatadas acima.
Estes condensadores são feitos com uma película composta por óxido de Háfnio e óxido de Zircónio e são construídos com recurso aos mesmos materiais e técnicas de fabrico já usadas nos chips. O que diferencia estes novos condensadores dos tradicionais, é a capacidade de armazenar uma maior quantidade de energia, graças à utilização de materiais de capacitância negativa.
No contexto da electrónica, os condensadores são componentes básicos. Servem para armazenar energia num campo eléctrico criado entre duas placas que estão separadas por um material dieléctrico (uma substância não metálica). Os condensadores podem distribuir a energia mais rapidamente e têm uma esperança de vida muito superior à das baterias, que armazenam energia em reacções electroquímicas.
No entanto, o reverso destes benefícios é que a densidade energética dos condensadores é significativamente menor. É por isso que são usados em dispositivos de baixo consumo e não para alimentar computadores portáteis. O problema da densidade agrava-se quando se tenta miniaturizá-los o suficiente para poderem ser integrados em chips.
A equipa resolveu este problema com a criação de películas de HfO2-ZrO2 para obter um efeito de capacitância negativa. Depois de afinar a composição da película, a equipa conseguiu fazer com que o material pudesse ser polarizado, mesmo através de um pequeno campo eléctrico.
Para aumentar a capacidade de armazenamento de energia das películas, a equipa usou camadas de óxido de alumínio para intercalar as películas de HfO2-ZrO2, o que permitiu aumentar a espessura das películas até 100 nm, mantendo as suas propriedades.
Estas películas, foram depois integradas em estruturas tridimensionais para criar os microcondensadores. O resultado não podia ter sido melhor, porque estes novos componentes oferecem muito mais densidade energética que os melhores condensadores electrostáticos actuais.
Esta tecnologia pode ajudar satisfazer a procura crescente de microdispositivos como IoT e processadores de IA que tenham a necessidade de usar sistemas de armazenamento de energia miniaturizados.
A equipa está agora a optimizar o método de fabrico para a integração em chips e a melhorar ainda mais a capacitância negativa das películas.
