让未来电子设备更节能的方法

随着全球对电子产品的需求不断增长，对气候变化的影响也越来越大。我们使用的数十亿台设备（包括智能手机）的碳排放已经占全球温室气体排放总量的3.7%，按照目前的使用率，到2040年这一占比可能达到14%。

“因此，我们需要限制未来电子设备功耗的增加。”佐治亚理工学院研究员Asif Islam Khan表示，他正与一个国际团队合作共同解决这一问题。

“我们的研究目标是找到降低未来电子产品功耗的方法，”Khan表示，他也是电气与计算机工程学院的助理教授，以及材料科学与工程学院的客座教授。

“但是，由于电子电路需要维持一定的电压水平，所以要进一步降低电子电路的功耗变得越来越困难，” 加利福尼亚大学伯克利分校博士后研究员Michael Hoffmann解释说。“降低工作电压将使电子设备更加节能。”

这一24人的研究团队提出的一个有希望的解决方案，即所谓的“负电容”。电容是衡量当施加电压时，有多少电荷流入设备的一种器件。基本上，正电容意味着电压增加也会增加电荷量。

“对于负电容，电压的增加将减少电荷量，” Hoffmann说道。“因此，负电容可用于放大电子设备中的电压，从而降低其功耗。”

实现这一点是关键，Khan认为他们可能已经找到了一种方法，即使用一种被称为铁电体和反铁电体的材料。

铁电材料是一种晶体，由于其原子的特殊排列，即使在不施加电压的情况下，这些材料也能产生电荷，因此它可具有负电容特性。Khan的团队对反铁电体特别感兴趣，反铁电体也具有负电容特性。只有施加电压，反铁电材料才会转变为铁电材料。

Hoffmann表示：“对于负电容在电子学中的应用，与仅使用铁电材料相比，铁电和反铁电材料的结合将更为有利。”

因此，研究团队开始证明反铁电材料中的负电容特性。

为此，他们制作了一个有两个薄层的电容器，每个薄层由不同绝缘材料制成。一层是反铁电层，他们希望它能表现出负电容性。另一层是具有正电容性的常规介电层，用来稳定负电容，使其能够被检测到。

研究人员向电容器施加短电压脉冲，并测量流动的电荷。当电压将反铁电体转变为铁电体时，他们观察到被测电荷增加了，并推断出反铁电层确实如他们理论推导的那样具有负电容性。

“这些结果表明，应该会有比之前我们认为多的多的材料具有负电容性。”Hoffmann表示，“此外，我们还能够研究反铁电转变为铁电体的平常不稳定的区域。”

这种过程被称为相变，在物理科学的许多不同领域都至关重要。

“例如，冰的融化可以理解为固态和液态之间的转变，” Khan解释说，“我们的研究工作为更广泛地了解这种相变现象提供了新的方法。”

这项仍处于早期阶段的研究将直接影响节能电子产品的开发，这非常关键，因为电子设备正变得无处不在。从长远来看，除了有利于开发具有更长电池寿命、更好性能的智能手机和笔记本电脑之外，这一发现还可以帮助减少大型数据中心和超级计算机对环境的影响。

对于研究人员来说，这项工作最令人兴奋的一个方面是他们研究的反铁电材料：氧化锆，这种材料半导体工业中久负盛名，在当今使用的几乎每台计算机或智能手机的存储器中都是必不可少的部分。

“直到最近我们才发现氧化锆是反铁电的，” Hoffmann表示，“因此，我们的研究可以相对较快地转化为应用，因为氧化锆已经被应用于我们每天使用的大多数电子产品中了。”