电介质静电电容器由于其超快充放电能力，对于高功率储能应用很有吸引力。除了超快运行之外，片上集成还可以为新兴的自主微电子和微系统提供小型化储能设备。此外，最先进的小型化电化学储能系统——微型超级电容器和微型电池——目前面临着安全、封装、材料和微加工方面的挑战，阻碍了片上技术的准备，这为静电微电容器带来了机会。

鉴于此，电子器件领域顶级期刊IEEE Electron Device Letters主编、加州大学伯克利分校Sayeef Salahuddin教授通过三管齐下的方法，报告了在硅片上集成的基于HfO2-ZrO2的薄膜微电容器的静电能量存储密度（ESD）和功率密度（PD）。首先，为了增加本征能量存储，在场驱动铁电相变附近设计了原子层沉积反铁电HfO2-ZrO2薄膜，通过负电容效应放大电荷存储，从而增强了体积静电放电（ESD），超过了最著名的线端后兼容电介质（115J-cm-3）。其次，为了增加总能量存储，反铁电超晶格工程将能量存储性能扩展到HfO2-ZrO2基（反）铁电（100 nm）的传统厚度限制之外。第三，为了提高每平方英尺的存储量，超晶格被保形集成到三维电容器中，从而将静电释放量（areal-ESD）提高到最著名静电电容器的9倍（170倍）：80mJ-cm-2（300kW-cm-2）。这种同时具有超高能量密度和功率密度的技术克服了传统的静电-电化学储能等级中的容量-速度权衡问题。此外，在与BEOL兼容的工艺中集成超高密度和超快充电薄膜，可实现片上微型电容器的单片集成，从而为电子微系统带来巨大的能量存储和功率传输性能。相关研究成果以题为“Giant energy storage and power density negative capacitance superlattices”发表在最新一期《Nature》上。第一作者兼通讯作者为博士生Suraj S.Cheema。

值得注意的是，博士研究生Suraj S.Cheema，以第一作者兼通讯作者身份，已经发表3篇Nature和1篇Science，震惊了！

【通过负电容实现能量存储】

为了首先优化内在储能能力，作者考虑了在TiN缓冲硅（方法）上ALD生长的9纳米HZO薄膜的HfO2-ZrO2 (HZO)介电相空间。跨组成相空间的电容-电压（C-V）测量（图1a、b）说明了从中等Zr含量时的铁电正方晶相（o相：Pca21）到高Zr含量时的反铁电四方晶相（t相：P42/nmc）的预期演化过程，其中母体非极性t相在电场作用下转变为极性o相。在这一电场驱动的铁素体相变过程中，存在一个超线性电荷响应（称为"第二阶段"），该响应是通过脉冲电荷电压（Q-V）测量确定的（图1c）。通过整合滞后充放电Q-V循环（图1d）计算得出，这种超线性"第二阶段"提高了储能能力。能量密度作为组成的函数(图1e)显示，在80% Zr含量时，体积能量存储(115 J/cm3))达到峰值，对应于C-V回路的压缩反铁电态(图1b)。滞回Q-V回路显示在中间场存在负dQ/dV斜率，即负电容(NC)(图1f)，这是在铁电极化开关期间首次观察到的。因此，作者考虑利用一种不同的NC机制——场驱动NC——来产生增强电荷以增强能量储存。