Новый ультратонкий конденсатор может обеспечить энергию

Компьютерные чипы на основе кремния, которые питают наши современные устройства для работы требуется огромное количество энергии. Несмотря на постоянное повышение эффективности вычислений, по прогнозам, к 2030 году информационные технологии будут потреблять около 25% всей первичной энергии, производимой. Исследователи в области микроэлектроники и материаловедения ищут способы устойчивого управления глобальной потребностью в вычислительной мощности.

Святым Граалем для сокращения этого цифрового спроса является разработка микроэлектроники, которая работает при гораздо более низких напряжениях, что потребует меньше энергии и является основной целью усилий по выходу за пределы современной КМОП (дополнительный металлооксидный полупроводник). устройства.

Существуют некремниевые материалы с привлекательными свойствами для устройств памяти и логических устройств; но их обычная объемная форма по-прежнему требует больших напряжений для управления, что делает их несовместимыми с современной электроникой. Разработка альтернативных тонкопленочных материалов, которые не только хорошо работают при низких рабочих напряжениях, но и могут быть упакованы в микроэлектронные устройства, остается сложной задачей.

Теперь группа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли определила один энергоэффективный путь — путем синтеза тонкослойной версии хорошо известного материала, свойства которого именно такие, которые необходимы для устройств следующего поколения. .

Впервые обнаруженный более 80 лет назад, титанат бария (BaTiO3) нашел применение в различных конденсаторах для электронных схем, ультразвуковых генераторах, преобразователях и даже гидролокаторах.

Кристаллы материала быстро реагируют на небольшое электрическое поле, изменяя ориентацию заряженных атомов, составляющих материал, обратимым, но постоянным образом, даже если приложенное поле удаляется. Это дает возможность переключаться между пресловутыми состояниями «0» и «1» в логических устройствах и запоминающих устройствах, но для этого все равно требуется напряжение более 1000 милливольт (мВ).

Стремясь использовать эти свойства для использования в микрочипах, команда под руководством лаборатории Беркли разработала способ создания пленок BaTiO3 толщиной всего 25 нанометров – менее тысячной ширины человеческого волоса – чья ориентация заряженных атомов, или поляризация, меняется при изменении быстро и качественно, как и в массовом варианте.

«Мы знали о BaTiO3 большую часть столетия, и мы знали, как делать тонкие пленки из этого материала, более 40 лет. Но до сих пор никто не мог создать пленку, которая могла бы приблизиться к структуре или характеристикам это может быть достигнуто в больших количествах», — сказал Лейн Мартин, научный сотрудник отдела материаловедения (MSD) в лаборатории Беркли и профессор материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли, который руководил работой.

Беркли Лаборатория«За пределами закона Мура» Инициатива направлена ​​на определение путей к сверхнизкому энергопотреблению в элементах памяти. «Нам нужно перейти на работу при низком напряжении, поскольку именно оно масштабирует энергию», — сказал соавтор Рамамурти Рамеш, старший научный сотрудник лаборатории Беркли и профессор физики, материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли. «Эта работа впервые продемонстрировала поле переключения модельного материала BaTiO3 с напряжением ниже 100 мВ на соответствующей платформе».

Исторически попытки синтеза приводили к созданию пленок, содержащих более высокие концентрации «дефектов» – точек, где структура отличается от идеализированной версии материала – по сравнению с объемными версиями. Такая высокая концентрация дефектов отрицательно влияет на характеристики тонких пленок. Мартин и его коллеги разработали подход к выращиванию пленок, который ограничивает эти дефекты. Результаты были опубликованы в журнале Nature Materials.

Чтобы понять, что нужно для производства лучших тонких пленок BaTiO3 с низким уровнем дефектов, исследователи обратились к процессу, называемому импульсным лазерным осаждением. Направление мощного луча ультрафиолетового лазера на керамическую мишень из BaTiO3 приводит к превращению материала в плазму, которая затем переносит атомы из мишени на поверхность для выращивания пленки. «Это универсальный инструмент, с помощью которого мы можем настроить множество параметров роста пленки и увидеть, какие из них наиболее важны для управления свойствами», — сказал Мартин.