今日最新Nature | 颠覆传统！破纪录的能量存储密度和功率密度！

第一作者：Suraj S. Cheema, Nirmaan Shanker, Shang-Lin Hsu

通讯作者：Sayeef Salahuddin、Suraj S. Cheema

通讯单位：美国加州大学伯克利分校

论文速览：

本研究报道了基于HfO2-ZrO2薄膜微电容器的极高静电能量存储密度(ESD)和功率密度(PD)，通过三种方法实现了显著提升：首先，通过场驱动的负电容效应增强了反铁电HfO2-ZrO2薄膜的电荷存储能力；其次，通过反铁电超晶格工程提升了能量存储性能；最后，将超晶格集成到三维硅电容器中，大幅提高了单位面积的能量存储。

这些方法的结合克服了传统电容器容量-速度的权衡，实现了在BEOL兼容工艺中集成的高密度、超快充电薄膜微电容器，为电子微系统的能源存储和功率输出提供了显著的性能提升。

图文导读：

图1 | 通过铁电相工程和负电容在HfO2-ZrO2中实现超高能量存储。展示了HfO2-ZrO2二元氧化物薄膜的介电-铁电-反铁电相空间，以及电容量、可逆存储电荷和静电能量存储密度随电场的变化。

图2 | 通过HZO-Al2O3负电容超晶格扩展总能量存储。比较了连续HZO薄膜和HZO-Al2O3超晶格薄膜的横截面高分辨率透射电镜图像，以及两种方法的厚度演变和电容-电场行为。

图3 | 3D集成的反铁电负电容微电容器在硅上的应用。展示了HZO-Al2O3超晶格在3D硅沟槽电容器中的TEM映射，以及与2D平面电容器相比，3D沟槽电容器在提升单位面积能量存储方面的性能。

亮点介绍：

1. 实现了基于HfO2-ZrO2薄膜微电容器的破记录静电能量存储密度(ESD)和功率密度(PD)。

2. 通过场驱动的负电容效应，显著提升了反铁电HfO2-ZrO2薄膜的电荷存储能力。

3. 利用反铁电超晶格工程，突破了传统HfO2-ZrO2薄膜厚度限制，实现了能量存储性能的线性扩展。

4. 将超晶格集成到三维硅电容器中，实现了超过100倍的单位面积能量存储提升。

5. 该研究为电子微系统的能源存储和功率输出提供了显著的性能提升，推动了BEOL兼容工艺中高密度、超快充电微电容器的集成。

文献信息：

标题：Giant energy storage and power density negative capacitance superlattices

期刊：Nature