Negatiivista kapasitanssia

a) Transmissioelektronimikroskoopin kuva näytteen poikkileikkauksesta ja suurennettu osa hafnium-zirkoniumoksidikerroksesta (HZO). b) Koetulosten vertailu Landau-teoriaan. Sähkökentän väheneminen lisääntyvällä polarisaation varauksella osoittaa negatiivista kapasitanssia.

Nanoelectronic Materials Laboratoryn (NaMLab gGmbH), Dresden University of Technologyn ja Romanian National Institute of Materials Physicsin tutkijat ovat yhteisvoimin todenneet perustavanlaatuisen ferrosähköisten materiaalien teorian, joka voisi johtaa energiatehokkaampaan elektroniikkaan.

He ovat osoittaneet, että ferrosähköisen hafnium-zirkoniumoksidin ohuet kerrokset voivat ilmentää negatiivista kapasitanssia.

Tämä tarkoittaa sitä, että tällaiset materiaalit voivat vahvistaa jännitettä, jota voitaisiin käyttää tulevaisuuden elektroniikan tehohäviöiden vähentämiseen yli tavanomaisten rajojen.

Vaikka tämä erikoinen käyttäytyminen on ennustettu jo yli 70 vuotta sitten, useimmat tutkijat ajattelivat, että tätä ei ollut mahdollista osoittaa kokeellisesti.

Ferrosähköisiä materiaaleja on tutkittu lähes vuosisadan ajan, mutta jotkut perusasiat ovat jääneet ratkaisematta. Yksi niistä liittyy 1940-luvun ferrosähköisten ”Landau-teoriaan”, jota käytetään edelleen kuvaamaan ferrosähköisten materiaalien käyttäytymistä. Teoria ennustaa kuitenkin myös negatiivista kapasitanssia, josta on kiistelty erityisesti viime vuosina.

Teoria viittaa siihen, että sähkövarauksen lisääntyminen voi johtaa jännitteen pienenemiseen, joka on ilmiönä täsmälleen päinvastainen tavanomaisen kapasitanssin kanssa.

NaMLab gGmbH:n tutkijat ovat nyt ensimmäisinä osoittaneet tällaisen negatiivisen kapasitanssin. Havainto saatiin aikaan käyttämällä erikoisvalmisteisia kondensaattoreita, jotka koostuivat ultraohuiden kerrosten pinosta, johon sovellettiin erittäin lyhyitä jännitepulsseja.

"Kiehtova asia on, että materiaaleja, joissa löysimme tämän lupaavan vaikutuksen, käytetään jo jokaisessa älypuhelimessa," sanoi Michael Hoffmann, Ph.D. opiskelija NaMLabissa ja tutkimuksen johtava tekijä.

”Seuraava tärkeä askel on kuitenkin käyttää näitä havaintoja uusien laitteiden kehittämiseen, jotka teoriassa voisivat olla paljon energiatehokkaampia kuin mikä on mahdollista tänään.”

Aiheesta aiemmin:

Ferrosähköisyyden mysteeri on ratkaistu

Hafniumoksidista haihtumaton muisti