(Phys.org) —Naarmate micro-elektronica kleiner en kleiner wordt, een van de grootste uitdagingen bij het inpakken van een smartphone of tablet met maximale verwerkingskracht en geheugen is de hoeveelheid warmte die wordt gegenereerd door de kleine "schakelaars" in het hart van het apparaat.

Een complexe metaaloxidefilm – ontworpen door IBM en de Universiteit van Texas, Austin (UTA) onderzoekers, en getest bij IBM, de National Synchrotron Light Source (NSLS) in het Brookhaven National Laboratory, en Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - zou kunnen helpen de spanning te verminderen die nodig is om elektronische signalen te schakelen, en dus de overmatige energie die ze nodig hebben. Hun onderzoek is gepubliceerd in het oktobernummer van Natuur Nanotechnologie .

"Dit project is bedoeld om films te ontwikkelen waarmee we de spanning kunnen verlagen die nodig is om de schakelaar in een nanotransistor te laten omslaan, " zei Jean Jordan-Sweet, een IBM-onderzoeker bij NSLS. "De nadruk ligt op het proberen om ferro-elektriciteit op te nemen in de industriestandaard op silicium gebaseerde apparaten om de prestaties te verbeteren en tegelijkertijd de behoefte aan meer spanning te verminderen."

Een team van onderzoekers, onder leiding van IBM-onderzoeker Catherine Dubourdieu van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek, was in staat om de ferro-elektrische polarisatie van deze films om te schakelen zonder het gebruik van een geleidende bodemelektrode, wat zou kunnen zorgen voor kleinere apparaten die de output maximaliseren zonder overtollige warmte.

Om dit te doen, de UTA-onderzoekers groeiden een bariumtitanaatfilm op een siliciumbasis met behulp van moleculaire bundelepitaxie, een methode die een kristallijne laag afzet in register met een enkelkristalsubstraat. Dankzij piëzoresponskrachtmicroscopie uitgevoerd bij ORNL, het team stelde vast dat het resulterende materiaal ferro-elektrisch was, wat betekent dat het een elektrische polarisatie heeft die kan worden omgekeerd wanneer een extern elektrisch veld wordt toegepast. Dit is niet alleen handig voor logische apparaten met een laag vermogen, maar ook voor niet-vluchtige geheugens.

"Deze ferro-elektrische films kunnen schakelen, en als ze eenmaal zijn omgeschakeld, zijn ze stabiel bij kamertemperatuur; bovendien kun je deze dingen op heel kleine nanoschaal maken en er zijn veel manieren waarop je ze in micro-elektronica kunt opnemen, ' zei Jordan-Sweet.

Het kweken van de film bovenop silicium vereist finesse. De kristallijne structuren van bariumtitanaat en silicium komen niet precies overeen, dus het is een beetje alsof je tennisballen probeert te krijgen die in een eierdoos passen. Ze zijn te groot voor de depressies, er moet dus een bufferlaag worden aangebracht om te zorgen voor een goede registratie tussen beide stoffen. In dit geval, strontiumtitanaat werd gebruikt omdat de grootte van de kristaleenheid tussen die van silicium en bariumtitanaat ligt, wat een geleidelijke herschikking van de kristalstructuur in de film mogelijk maakt.

Nadat de films met succes waren gekweekt, Dubourdieu en Jordan-Sweet gebruikten de X20A-bundellijn bij NSLS om röntgendiffractietests uit te voeren om de tetragonaliteit - of de "niet-haaksheid" van de kristalstructuur - in de film te karakteriseren. Ze ontdekten dat de bufferlaag de juiste structuur in het bariumtitanaat induceerde, zodat de tetragonale kristaleenheden, en dus de elektrische polarisatie, wees in de juiste richting voor het maken van goede transistors.

Met behulp van piëzoresponskrachtmicroscopie in het Oak Ridge National Laboratory, het team ontdekte dat ze ferro-elektrische schakelingen konden produceren in films van 8 tot 40 nanometer dik, hoewel een dikte van slechts 10 nanometer het beste was om ervoor te zorgen dat de polariteit over de film gelijkmatig werd verdeeld.