De op silicium gebaseerde computerchips die onze moderne apparaten aandrijven, hebben enorme hoeveelheden energie nodig om te functioneren. Ondanks de steeds betere computerefficiëntie, zal de informatietechnologie naar verwachting in 2030 ongeveer 25% van alle geproduceerde primaire energie verbruiken. Onderzoekers in de micro-elektronica- en materiaalwetenschappengemeenschappen zoeken naar manieren om de wereldwijde behoefte aan rekenkracht duurzaam te beheren.

De heilige graal voor het verminderen van deze digitale vraag is het ontwikkelen van micro-elektronica die op veel lagere spanningen werkt, wat minder energie zou vergen en een primair doel is van inspanningen om verder te gaan dan de huidige state-of-the-art CMOS (complementaire metaaloxide halfgeleider) apparaten.

Er bestaan ​​niet-siliciummaterialen met aanlokkelijke eigenschappen voor geheugen- en logische apparaten; maar hun gebruikelijke bulkvorm vereist nog steeds grote spanningen om te manipuleren, waardoor ze onverenigbaar zijn met moderne elektronica. Het blijft een uitdaging om dunnefilm-alternatieven te ontwerpen die niet alleen goed presteren bij lage bedrijfsspanningen, maar ook in micro-elektronische apparaten kunnen worden verpakt.

Nu heeft een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en UC Berkeley één energie-efficiënte route geïdentificeerd - door een dunnelaagversie van een bekend materiaal te synthetiseren waarvan de eigenschappen precies zijn wat nodig is voor apparaten van de volgende generatie .

Voor het eerst ontdekt meer dan 80 jaar geleden, bariumtitanaat (BaTiO₃ ) werd gebruikt in verschillende condensatoren voor elektronische circuits, ultrasone generatoren, transducers en zelfs sonar.

Kristallen van het materiaal reageren snel op een klein elektrisch veld en veranderen de oriëntatie van de geladen atomen waaruit het materiaal bestaat op een omkeerbare maar permanente manier, zelfs als het aangelegde veld wordt verwijderd. Dit biedt een manier om te schakelen tussen de spreekwoordelijke "0"- en "1"-statussen in logische en geheugenopslagapparaten, maar hiervoor zijn nog steeds spanningen nodig die groter zijn dan 1.000 millivolt (mV).

Om deze eigenschappen te benutten voor gebruik in microchips, ontwikkelde het door Berkeley Lab geleide team een ​​route voor het maken van films van BaTiO₃ slechts 25 nanometer dun - minder dan een duizendste van de breedte van een mensenhaar - waarvan de oriëntatie van geladen atomen, of polarisatie, net zo snel en efficiënt verandert als in de bulkversie.

"We kennen BaTiO₃ voor het grootste deel van een eeuw en we weten al meer dan 40 jaar hoe we dunne films van dit materiaal kunnen maken. Maar tot nu toe kon niemand een film maken die in de buurt kwam van de structuur of prestatie die in bulk zou kunnen worden bereikt", zegt Lane Martin, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division (MSD) van Berkeley Lab en hoogleraar materiaalwetenschappen en engineering bij UC Berkeley die het werk leidde.

Historisch gezien hebben synthesepogingen geresulteerd in films die hogere concentraties van "defecten" bevatten - punten waar de structuur verschilt van een geïdealiseerde versie van het materiaal - in vergelijking met bulkversies. Een dergelijke hoge concentratie defecten heeft een negatieve invloed op de prestaties van dunne films. Martin en collega's ontwikkelden een aanpak om de films te laten groeien die deze gebreken beperkt. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschriftNature Materials.

Om te begrijpen wat er nodig is om de beste, low-defect BaTiO₃ . te produceren dunne films, de onderzoekers wendden zich tot een proces genaamd pulsed-laser deposition. Een krachtige straal van een ultraviolet laserlicht afvuren op een keramisch doel van BaTiO₃ zorgt ervoor dat het materiaal verandert in een plasma, dat vervolgens atomen van het doelwit naar een oppervlak stuurt om de film te laten groeien. "Het is een veelzijdig hulpmiddel waarmee we veel knoppen in de groei van de film kunnen aanpassen en kunnen zien welke het belangrijkst zijn voor het beheersen van de eigenschappen", zei Martin.

Martin en zijn collega's toonden aan dat hun methode nauwkeurige controle kon krijgen over de structuur, chemie, dikte en interfaces van de afgezette film met metalen elektroden. Door elk gedeponeerd monster doormidden te hakken en de structuur atoom voor atoom te bekijken met behulp van hulpmiddelen in het National Center for Electron Microscopy in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, onthulden de onderzoekers een versie die precies een extreem dun plakje van de bulk nabootste.

"Het is leuk om te bedenken dat we deze klassieke materialen waarvan we dachten dat we er alles van wisten, kunnen nemen en ze op hun kop kunnen zetten met nieuwe benaderingen om ze te maken en te karakteriseren," zei Martin.

Tot slot, door een film van BaTiO₃ . te plaatsen tussen twee metalen lagen creëerden Martin en zijn team minuscule condensatoren - de elektronische componenten die snel energie opslaan en vrijgeven in een circuit. Het toepassen van spanningen van 100 mV of minder en het meten van de stroom die vrijkomt, toonde aan dat de polarisatie van de film binnen twee miljardste van een seconde veranderde en mogelijk sneller zou kunnen zijn - concurrerend met wat er nodig is voor moderne computers om toegang te krijgen tot geheugen of berekeningen uit te voeren.

Het werk volgt het grotere doel om materialen te maken met kleine schakelspanningen en te onderzoeken hoe interfaces met de metalen componenten die nodig zijn voor apparaten, dergelijke materialen beïnvloeden. "Dit is een goede vroege overwinning in ons streven naar elektronica met een laag vermogen die verder gaat dan wat tegenwoordig mogelijk is met op silicium gebaseerde elektronica," zei Martin.

"In tegenstelling tot onze nieuwe apparaten, houden de condensatoren die tegenwoordig in chips worden gebruikt hun gegevens niet vast, tenzij je er spanning op blijft zetten", zegt Martin. En de huidige technologieën werken over het algemeen bij 500 tot 600 mV, terwijl een dunne-filmversie zou kunnen werken bij 50 tot 100 mV of minder. Samen demonstreren deze metingen een succesvolle optimalisatie van de robuustheid van spanning en polarisatie, wat vaak een compromis is, vooral in dunne materialen.

Vervolgens is het team van plan het materiaal nog dunner te verkleinen om het compatibel te maken met echte apparaten in computers en te bestuderen hoe het zich gedraagt ​​bij die kleine afmetingen. Tegelijkertijd zullen ze samenwerken met medewerkers van bedrijven zoals Intel Corp. om de haalbaarheid te testen in elektronische apparaten van de eerste generatie. "Als je elke logische bewerking in een computer een miljoen keer efficiënter zou kunnen maken, bedenk dan hoeveel energie je bespaart. Daarom doen we dit", zei Martin. + Verder verkennen

Onderzoekers lossen mysterie op rond diëlektrische eigenschappen van uniek metaaloxide