Исследовательская группа под руководством Хемницкого технологического университета при участии IFW Dresden и Чанчуньского института прикладной химии представляет прикладной метод решения проблемы микроэлектроники, связанной с питанием.
Современные компьютеры становятся все меньше и меньше, а смартфоны предлагают вычислительную мощность, близкую к мощности ноутбука. И тенденция к миниатюризации продолжается. Так, крошечные микроэлектронные устройства, такие как биосовместимые сенсорные системы, требуют компьютеров и батарей меньшего размера, чем пылинка. Пока этому развитию препятствуют два основных фактора: отсутствие встроенных источников питания для работы в любое время и в любом месте и трудности в производстве интегрируемых микробатарей.
Профессор доктор Оливер Г. Шмидт, руководитель кафедры материальных систем наноэлектроники и научный руководитель Центра материалов, архитектур и интеграции наномембран (MAIN) в Хемницком технологическом университете, д-р Миншен Чжу, который работает в группе профессора Шмидта в Исследовательском центре MAIN с февраля 2022 года, и исследователи из Института исследования твердого тела и материалов им. Лейбница (IFW) Дрездена и Чанчуньского института прикладной химии представили решение этих задач. Они обсуждают, как можно реализовать интеллектуальные приложения с батарейным питанием в субмиллиметровом масштабе, и представляют самую маленькую в мире батарею в качестве прототипа.
«Наши результаты показывают обнадеживающую производительность накопителей энергии в масштабе менее квадратного миллиметра», — говорит д-р Миншен Чжу, а профессор Оливер Шмидт добавляет: «У этой технологии все еще есть огромный потенциал оптимизации, и мы можем ожидать выхода гораздо более прочных микробатарей в будущем».
Мощность для запуска крошечных компьютеров субмиллиметрового масштаба может быть обеспечена путем разработки соответствующих батарей или методов «сбора» для производства электроэнергии. В области «сбора» микротермоэлектрические генераторы, например, преобразуют тепло в электричество, но их выходная мощность слишком мала для работы с микроэлектроникой. Механические вибрации — еще один источник энергии для питания крошечных устройств. Перспективны также небольшие фотоэлектрические элементы, преобразующие свет в электрическую энергию на небольших чипах.
Однако свет и вибрация доступны не всегда и не везде, что делает работу невозможной во многих средах, например, в человеческом теле, где крошечные датчики требуют постоянного источника питания. Мощные крошечные батареи решили бы эту проблему.
Но производство крошечных батареек сильно отличается от их повседневных аналогов. Например, для разработки компактных батарей с высокой плотностью энергии используются электродные материалы и добавки (углеродные материалы и связующие), которые перерабатываются в суспензию и наносятся на металлическую фольгу. Встроенные микробатареи, произведенные с использованием таких стандартных технологий, могут обеспечить хорошую энергию и удельную мощность, но имеют площадь, значительно превышающую один квадратный миллиметр.
Тонкие пленки, столбики электродов или встречно-штыревые микроэлектроды используются для изготовления встроенных аккумуляторов. Однако эти конструкции часто страдают от плохого накопления энергии, и площадь этих батарей не может быть значительно меньше одного квадратного миллиметра.
Таким образом, целью профессора Шмидта, доктора Чжу и членов их команды было разработать батарею размером значительно меньше одного квадратного миллиметра, интегрируемую в микросхему, которая по-прежнему имеет минимальную плотность энергии 100 микроватт-часов на квадратный сантиметр.
Для этого команда применила токосъемники и электродные ленты в микромасштабе; аналогичный процесс используется Tesla в крупном масштабе в производстве аккумуляторов для электромобилей.
Исследователи используют так называемый процесс «швейцарского рулета» или «микрооригами». Слоистая система с собственным напряжением создается путем последовательного нанесения на поверхность пластины тонких слоев полимерных, металлических и диэлектрических материалов. Механическое напряжение снимается за счет отслаивания тонких слоев, которые затем автоматически сворачиваются в архитектуру Swiss-Roll. Таким образом, для создания такой самозакручивающейся цилиндрической микробатареи не требуется никаких внешних сил. Этот метод совместим с установленными технологиями производства микросхем и позволяет производить микробатареи с высокой производительностью на поверхности пластины.
Используя этот метод, исследовательская группа произвела перезаряжаемые микробатареи, которые могли питать самые маленькие в мире компьютерные чипы в течение примерно десяти часов: например, для измерения температуры окружающей среды. Крошечная батарея имеет большой потенциал для будущей микро- и наноэлектронной сенсорики и исполнительных технологий в таких областях, как Интернет вещей, миниатюрные медицинские имплантаты, системы микророботов и сверхгибкая электроника.
