Ny ultratynd kondensator kunne muliggøre energieffektive mikrochips

De siliciumbaserede computerchips, der driver vores moderne enheder, kræver enorme mængder energi for at fungere. På trods af stadigt forbedret computereffektivitet forventes informationsteknologien at forbruge omkring 25 % af al primær energi produceret i 2030. Forskere i mikroelektronik- og materialevidenskabssamfundene søger måder til bæredygtigt at håndtere det globale behov for computerkraft.

Den hellige gral for at reducere denne digitale efterspørgsel er at udvikle mikroelektronik, der fungerer ved meget lavere spændinger, hvilket ville kræve mindre energi og er et primært mål for bestræbelserne på at bevæge sig ud over nutidens state-of-the-art CMOS (komplementær metal-oxid-halvleder) enheder.

Der findes ikke-siliciummaterialer med lokkende egenskaber til hukommelses- og logikenheder; men deres almindelige bulkform kræver stadig store spændinger at manipulere, hvilket gør dem uforenelige med moderne elektronik. At designe tyndfilmsalternativer, der ikke kun fungerer godt ved lave driftsspændinger, men også kan pakkes ind i mikroelektroniske enheder, er fortsat en udfordring.

Nu har et team af forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley identificeret en energieffektiv rute - ved at syntetisere en tyndlagsversion af et velkendt materiale, hvis egenskaber er præcis, hvad der er nødvendigt for næste generations enheder .

Bariumtitanat (BaTiO₃) blev først opdaget for mere end 80 år siden ) fundet anvendelse i forskellige kondensatorer til elektroniske kredsløb, ultralydsgeneratorer, transducere og endda ekkolod.

Krystaller af materialet reagerer hurtigt på et lille elektrisk felt, flip-flopper orienteringen af ​​de ladede atomer, der udgør materialet, på en reversibel, men permanent måde, selvom det påførte felt fjernes. Dette giver en måde at skifte mellem de ordsprogede "0" og "1" tilstande i logik og hukommelseslagringsenheder - men kræver stadig spændinger større end 1.000 millivolt (mV) for at gøre det.

I et forsøg på at udnytte disse egenskaber til brug i mikrochips udviklede det Berkeley Lab-ledede team en vej til at skabe film af BaTiO₃ kun 25 nanometer tynd - mindre end en tusindedel af et menneskehårs bredde - hvis orientering af ladede atomer, eller polarisering, skifter lige så hurtigt og effektivt som i bulk-versionen.

"Vi har kendt til BaTiO₃ i mere end et århundrede, og vi har vidst, hvordan man laver tynde film af dette materiale i over 40 år. Men indtil nu har ingen kunne lave en film, der kunne komme tæt på den struktur eller ydeevne, der kunne opnås i bulk," sagde Lane Martin, en fakultetsforsker i Materials Sciences Division (MSD) ved Berkeley Lab og professor i materialevidenskab og ingeniør ved UC Berkeley, der ledede arbejdet.

Historisk har synteseforsøg resulteret i film, der indeholder højere koncentrationer af "defekter" - punkter, hvor strukturen adskiller sig fra en idealiseret version af materialet - sammenlignet med bulkversioner. En så høj koncentration af defekter påvirker ydeevnen af ​​tynde film negativt. Martin og kolleger udviklede en tilgang til at dyrke filmene, der begrænser disse defekter. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Materials.

For at forstå, hvad der skal til for at producere den bedste, lave defekte BaTiO₃ tynde film, vendte forskerne sig til en proces kaldet pulseret laseraflejring. Affyring af en kraftig stråle af et ultraviolet laserlys mod et keramisk mål af BaTiO₃ får materialet til at omdannes til et plasma, som derefter overfører atomer fra målet til en overflade for at vokse filmen. "Det er et alsidigt værktøj, hvor vi kan justere en masse knopper i filmens vækst og se, hvilke der er vigtigst for at kontrollere egenskaberne," sagde Martin.

Martin og hans kolleger viste, at deres metode kunne opnå præcis kontrol over den aflejrede films struktur, kemi, tykkelse og grænseflader med metalelektroder. Ved at hakke hver aflejret prøve i to og se på dens struktur atom for atom ved hjælp af værktøjer på National Center for Electron Microscopy ved Berkeley Labs Molecular Foundry, afslørede forskerne en version, der præcist efterlignede en ekstremt tynd skive af hovedparten.

"Det er sjovt at tænke på, at vi kan tage disse klassiske materialer, som vi troede, vi vidste alt om, og vende dem på hovedet med nye tilgange til at fremstille og karakterisere dem," sagde Martin.

Til sidst ved at placere en film af BaTiO₃ mellem to metallag skabte Martin og hans team små kondensatorer - de elektroniske komponenter, der hurtigt lagrer og frigiver energi i et kredsløb. Påføring af spændinger på 100 mV eller mindre og måling af strømmen, der fremkommer, viste, at filmens polarisering skiftede inden for to milliardtedele af et sekund og potentielt kunne være hurtigere – konkurrerende med, hvad det kræver for nutidens computere at få adgang til hukommelse eller udføre beregninger.

Arbejdet følger det større mål om at skabe materialer med små koblingsspændinger og undersøge, hvordan grænseflader med de metalkomponenter, der er nødvendige for enheder, påvirker sådanne materialer. "Dette er en god tidlig sejr i vores jagt på elektronik med lav effekt, der går ud over, hvad der er muligt med siliciumbaseret elektronik i dag," sagde Martin.

"I modsætning til vores nye enheder, holder de kondensatorer, der bruges i chips i dag, ikke deres data, medmindre du bliver ved med at anvende en spænding," sagde Martin. Og nuværende teknologier fungerer generelt ved 500 til 600 mV, mens en tyndfilmsversion kan fungere ved 50 til 100 mV eller mindre. Tilsammen demonstrerer disse målinger en vellykket optimering af spændings- og polarisationsrobusthed – hvilket har en tendens til at være en afvejning, især i tynde materialer.

Dernæst planlægger holdet at krympe materialet endnu tyndere for at gøre det kompatibelt med rigtige enheder i computere og studere, hvordan det opfører sig ved disse små dimensioner. Samtidig vil de arbejde sammen med samarbejdspartnere hos virksomheder som Intel Corp. for at teste gennemførligheden i førstegenerations elektroniske enheder. "Hvis du kunne gøre hver logikoperation i en computer en million gange mere effektiv, så tænk på, hvor meget energi du sparer. Det er derfor, vi gør dette," sagde Martin. + Udforsk yderligere

Forskere løser mysteriet omkring dielektriske egenskaber af unikt metaloxid