Eerst kwam de schakelaar. Dan de transistor. Nu staat er een andere innovatie op het punt om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we de stroom van elektronen door een circuit regelen:vanadiumdioxide (VO2). Een belangrijk kenmerk van deze verbinding is dat het zich bij kamertemperatuur als een isolator gedraagt, maar als een geleider bij temperaturen boven 68°C. Dit gedrag - ook wel metaal-isolatorovergang genoemd - wordt bestudeerd in een ambitieus EU Horizon 2020-project genaamd Phase-Change Switch. EPFL werd gekozen om het project te coördineren na een uitdagend selectieproces.

Het project duurt tot 2020. Vanwege de reeks veelbelovende toepassingen die uit deze nieuwe technologie kunnen komen, het project heeft twee grote bedrijven aangetrokken - Thales uit Frankrijk en de Zwitserse tak van IBM Research - evenals andere universiteiten, waaronder Max-Planck-Gesellschaft in Duitsland en Cambridge University in het VK. Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik (AMO GmbH), een spin-off van de Universiteit van Aken in Duitsland, doet ook mee aan het onderzoek.

Wetenschappers weten al lang over de elektronische eigenschappen van VO2, maar hebben ze niet kunnen verklaren totdat ze het wisten. Het blijkt dat de atomaire structuur verandert als de temperatuur stijgt, overgang van een kristallijne structuur bij kamertemperatuur naar een metallische structuur bij temperaturen boven 68°C. En deze overgang gebeurt in minder dan een nanoseconde - een echt voordeel voor elektronische toepassingen. "VO2 is ook gevoelig voor andere factoren die ervoor kunnen zorgen dat het van fase verandert, zoals door het injecteren van elektrische stroom, optisch, of door een THz-stralingspuls toe te passen, " zegt Adrian Ionescu, de EPFL-professor die aan het hoofd staat van het Nanoelectronic Devices Laboratory (Nanolab) van de school en ook fungeert als de projectcoördinator van Phase-Change Switch.

De uitdaging:hogere temperaturen bereiken

Echter, het ontsluiten van het volledige potentieel van VO2 is altijd lastig geweest omdat de overgangstemperatuur van 68°C te laag is voor moderne elektronische apparaten, waar circuits feilloos moeten kunnen draaien bij 100°C. Maar twee EPFL-onderzoekers - Ionescu van de School of Engineering (STI) en Andreas Schüler van de School of Architecture, Civiele en milieutechniek (ENAC) - heeft mogelijk een oplossing voor dit probleem gevonden, volgens hun gezamenlijk onderzoek gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven in juli 2017. Ze ontdekten dat het toevoegen van germanium aan VO2-film de faseveranderingstemperatuur van het materiaal tot meer dan 100 ° C kan verhogen.

Nog interessantere bevindingen van het Nanolab - vooral voor radiofrequentietoepassingen - werden gepubliceerd in IEEE-toegang op 2 februari 2018. Voor de eerste keer ooit, wetenschappers waren in staat om ultracompacte, modulaire frequentiefilters. Hun technologie maakt ook gebruik van VO2- en faseveranderingsschakelaars, en is vooral effectief in het frequentiebereik dat cruciaal is voor ruimtecommunicatiesystemen (de Ka-band, met programmeerbare frequentiemodulatie tussen 28,2 en 35 GHz).

Neuromorfe processors en autonome voertuigen

Deze veelbelovende ontdekkingen zullen waarschijnlijk verder onderzoek naar toepassingen voor VO2 in elektronische apparaten met ultralaag vermogen stimuleren. Naast ruimtecommunicatie, andere gebieden kunnen neuromorfe computers en hoogfrequente radars voor zelfrijdende auto's omvatten.