Remise en contexte: La recherche de dispositifs plus petits et plus économes en énergie a conduit les chercheurs à explorer l’intégration du stockage d’énergie directement sur des micropuces, minimisant ainsi les pertes d’énergie qui se produisent lorsque l’énergie est transférée entre différents composants. L’idée n’est pas vraiment nouvelle, mais la technologie actuelle a du mal à répondre aux exigences de stockage d’énergie suffisante dans un espace compact tout en la fournissant rapidement.
Les scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l’UC Berkeley ont créé des « microcondensateurs » qui comblent cette lacune, comme le souligne une étude publiée dans Nature. Fabriqués à partir de films minces d’oxyde de hafnium et d’oxyde de zirconium, ces condensateurs utilisent des matériaux et des techniques de fabrication couramment utilisés dans la fabrication de puces. Ce qui les distingue est leur capacité à stocker beaucoup plus d’énergie que les condensateurs ordinaires, grâce à l’utilisation de matériaux à capacité négative.
Les condensateurs sont l’un des composants de base des circuits électriques. Ils stockent l’énergie dans un champ électrique établi entre deux plaques métalliques séparées par un matériau diélectrique (substance non métallique). Elles peuvent fournir de l’énergie rapidement et ont une durée de vie plus longue que les batteries, qui stockent l’énergie dans des réactions électrochimiques.
Cependant, ces avantages se font au prix de densités énergétiques nettement inférieures. C’est peut-être la raison pour laquelle nous n’avons vu que des appareils de faible puissance, comme des souris, alimentés par cette technologie, par opposition à quelque chose comme un ordinateur portable. De plus, le problème n’est qu’exacerbé lorsqu’on les réduit à des tailles de microcondensateurs pour le stockage d’énergie sur puce.
Les chercheurs ont surmonté ce problème en concevant des films minces de HfO2-ZrO2 pour obtenir un effet de capacité négatif. En ajustant parfaitement la composition, ils ont réussi à faire en sorte que le matériau soit facilement polarisé, même par un petit champ électrique.
Pour augmenter la capacité de stockage d’énergie des films, l’équipe a placé de fines couches atomiques d’oxyde d’aluminium toutes les quelques couches de HfO2-ZrO2, ce qui leur a permis de faire croître les films jusqu’à 100 nm d’épaisseur tout en conservant les propriétés souhaitées.
Ces films ont été intégrés dans des structures de microcondensateurs tridimensionnels, atteignant des propriétés record : une densité d’énergie neuf fois supérieure et une densité de puissance 170 fois supérieure à celle des meilleurs condensateurs électrostatiques actuels. C’est énorme.
« La densité d’énergie et de puissance que nous avons obtenue est bien supérieure à ce à quoi nous nous attendions », a déclaré Sayeef Salahuddin, scientifique principal au Berkeley Lab, professeur à l’UC Berkeley et chef du projet. « Nous développons des matériaux à capacité négative depuis de nombreuses années, mais ces résultats étaient assez surprenants. »
Cette technologie pourrait aider à répondre à la demande croissante de stockage d’énergie miniaturisé dans les micro-appareils tels que l’IoT, les systèmes informatiques de pointe et les processeurs d’IA.
« Grâce à cette technologie, nous pouvons enfin commencer à réaliser un stockage d’énergie et une fourniture d’énergie parfaitement intégrés sur puce dans de très petites tailles », a déclaré Suraj Cheema, l’un des principaux auteurs de l’article. « Cela peut ouvrir un nouveau domaine de technologies énergétiques pour la microélectronique. »
Il s’agit d’une avancée majeure, mais les chercheurs ne se reposent pas encore sur leurs lauriers. Ils travaillent désormais à étendre la technologie et à l’intégrer dans des micropuces grandeur nature tout en améliorant encore la capacité négative des films.
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