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Jahrhundertalter materieller Schlüssel zu Computerchips der nächsten Generation

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Die siliziumbasierten Computerchips, die unsere modernen Geräte antreiben benötigen zum Betrieb Unmengen an Energie. Trotz immer besserer Recheneffizienz wird die Informationstechnologie voraussichtlich bis 25 rund 2030 % der gesamten erzeugten Primärenergie verbrauchen. Forscher in den Bereichen Mikroelektronik und Materialwissenschaften suchen nach Wegen, den globalen Bedarf an Rechenleistung nachhaltig zu bewältigen.

Wissenschaftler verwandeln jahrhundertealtes Material in einen dünnen Film für Speicher- und Logikgeräte der nächsten Generation

Der heilige Gral zur Reduzierung dieses digitalen Bedarfs ist die Entwicklung von Mikroelektronik, die mit viel niedrigeren Spannungen arbeitet, was weniger Energie erfordern würde und ein Hauptziel der Bemühungen ist, über die heutigen hochmodernen CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) hinauszugehen. Geräte.

Es gibt Nicht-Silizium-Materialien mit verlockenden Eigenschaften für Speicher- und Logikbausteine; aber ihre übliche Bulk-Form erfordert immer noch große Spannungen, um sie zu manipulieren, was sie mit moderner Elektronik inkompatibel macht. Die Entwicklung von Dünnschichtalternativen, die nicht nur bei niedrigen Betriebsspannungen gut funktionieren, sondern auch in mikroelektronische Geräte gepackt werden können, bleibt eine Herausforderung.

Jetzt hat ein Forscherteam des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der UC Berkeley einen energieeffizienten Weg identifiziert – durch die Synthese einer Dünnschichtversion eines bekannten Materials, dessen Eigenschaften genau das sind, was für Geräte der nächsten Generation benötigt wird .

Das vor über 80 Jahren erstmals entdeckte Bariumtitanat (BaTiO3) fanden Verwendung in verschiedenen Kondensatoren für elektronische Schaltungen, Ultraschallgeneratoren, Wandler und sogar Sonar.

Kristalle des Materials reagieren schnell auf ein kleines elektrisches Feld und ändern die Ausrichtung der geladenen Atome, aus denen das Material besteht, reversibel, aber dauerhaft, selbst wenn das angelegte Feld entfernt wird. Dies bietet eine Möglichkeit, in Logik- und Speichergeräten zwischen den sprichwörtlichen Zuständen „0“ und „1“ umzuschalten – erfordert dafür jedoch immer noch Spannungen von mehr als 1,000 Millivolt (mV).

Um diese Eigenschaften für die Verwendung in Mikrochips nutzbar zu machen, entwickelte das von Berkeley Lab geführte Team einen Weg zur Herstellung von Filmen aus BaTiO3 nur 25 Nanometer dünn – weniger als ein Tausendstel der Breite eines menschlichen Haares – dessen Ausrichtung geladener Atome oder Polarisation so schnell und effizient wechselt wie in der Bulk-Version.

„Wir kennen BaTiO3 für fast ein Jahrhundert und wir wissen seit über 40 Jahren, wie man dünne Filme aus diesem Material herstellt. Aber bis jetzt konnte niemand einen Film machen, der an die Struktur oder Leistung heranreicht, die in großen Mengen erreicht werden könnte“, sagte er Lane Martin, ein Fakultätswissenschaftler in der Materials Sciences Division (MSD) am Berkeley Lab und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UC Berkeley, der die Arbeit leitete.

In der Vergangenheit haben Syntheseversuche zu Filmen geführt, die im Vergleich zu Massenversionen eine höhere Konzentration an „Defekten“ – Punkten, an denen sich die Struktur von einer idealisierten Version des Materials unterscheidet – enthalten. Eine solch hohe Defektkonzentration wirkt sich negativ auf die Leistung von Dünnschichten aus. Martin und Kollegen entwickelten einen Ansatz zum Wachsen der Filme, der diese Defekte begrenzt. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Nature Materials.

Um zu verstehen, was es braucht, um das beste, defektarme BaTiO herzustellen3 Dünnfilme wandten sich die Forscher einem Prozess zu, der als gepulste Laserabscheidung bezeichnet wird. Abfeuern eines starken Strahls eines ultravioletten Laserlichts auf ein keramisches Target aus BaTiO3 bewirkt, dass sich das Material in ein Plasma umwandelt, das dann Atome vom Target auf eine Oberfläche überträgt, um den Film wachsen zu lassen. „Es ist ein vielseitiges Tool, mit dem wir viele Regler im Wachstum des Films optimieren und sehen können, welche für die Steuerung der Eigenschaften am wichtigsten sind“, sagte Martin.

Martin und seine Kollegen zeigten, dass ihre Methode eine genaue Kontrolle über die Struktur, Chemie, Dicke und Grenzflächen des abgeschiedenen Films mit Metallelektroden erreichen kann. Indem jede abgelegte Probe in zwei Hälften geschnitten und ihre Struktur Atom für Atom mit Werkzeugen des National Center for Electron Microscopy in Berkeley Labs untersucht wird Molekulare Gießerei, enthüllten die Forscher eine Version, die eine extrem dünne Scheibe der Masse genau nachahmte.

„Es macht Spaß, daran zu denken, dass wir diese klassischen Materialien nehmen können, von denen wir dachten, dass wir alles darüber wissen, und sie mit neuen Ansätzen zu ihrer Herstellung und Charakterisierung auf den Kopf stellen können“, sagte Martin.

Schließlich durch Auflegen eines BaTiO-Films3 Zwischen zwei Metallschichten schufen Martin und sein Team winzige Kondensatoren – die elektronischen Komponenten, die Energie in einem Stromkreis schnell speichern und abgeben. Das Anlegen von Spannungen von 100 mV oder weniger und das Messen des entstehenden Stroms zeigten, dass sich die Polarisation des Films innerhalb von zwei Milliardstel Sekunden änderte und möglicherweise schneller sein könnte – konkurrenzfähig mit dem, was heutige Computer benötigen, um auf den Speicher zuzugreifen oder Berechnungen durchzuführen.

Die Arbeit verfolgt das größere Ziel, Materialien mit kleinen Schaltspannungen zu schaffen und zu untersuchen, wie sich Schnittstellen mit den für Geräte erforderlichen Metallkomponenten auf solche Materialien auswirken. „Dies ist ein guter früher Sieg in unserem Streben nach stromsparender Elektronik, die über das hinausgeht, was heute mit siliziumbasierter Elektronik möglich ist“, sagte Martin.

„Im Gegensatz zu unseren neuen Geräten speichern die Kondensatoren, die heute in Chips verwendet werden, ihre Daten nicht, es sei denn, Sie legen ständig eine Spannung an“, sagte Martin. Und aktuelle Technologien arbeiten im Allgemeinen bei 500 bis 600 mV, während eine Dünnschichtversion bei 50 bis 100 mV oder weniger arbeiten könnte. Zusammen zeigen diese Messungen eine erfolgreiche Optimierung der Spannungs- und Polarisationsrobustheit – was insbesondere bei dünnen Materialien tendenziell ein Kompromiss ist.

Als nächstes plant das Team, das Material noch dünner zu machen, um es mit echten Geräten in Computern kompatibel zu machen, und zu untersuchen, wie es sich bei diesen winzigen Abmessungen verhält. Gleichzeitig werden sie mit Mitarbeitern von Unternehmen wie Intel Corp. zusammenarbeiten, um die Machbarkeit in elektronischen Geräten der ersten Generation zu testen. „Wenn Sie jede logische Operation in einem Computer millionenfach effizienter machen könnten, denken Sie darüber nach, wie viel Energie Sie sparen. Deshalb machen wir das“, sagte Martin.

Diese Forschung wurde vom Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) unterstützt. The Molecular Foundry ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science im Berkeley Lab.

Berkeley Labs „Jenseits von Moores Gesetz“ -Initiative zielt darauf ab, Wege zu einer Ultra-Low-Power-Logik in Speicherelementen zu identifizieren. „Wir müssen zum Niederspannungsbetrieb kommen, da dies die Energie skaliert“, sagte Co-Autor Ramamoorthy Ramesh, ein leitender Fakultätswissenschaftler am Berkeley Lab und Professor für Physik und Materialwissenschaft und -technik an der UC Berkeley. „Diese Arbeit demonstrierte erstmals das Schaltfeld des Modellmaterials BaTiO3 mit Spannungen unter 100 mV auf einer entsprechenden Plattform.“

Artikel mit freundlicher Genehmigung von Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley-Labor).

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Ausgewähltes Foto: Ein Makro eines Siliziumwafers, von Laura Ockel on Unsplash

 

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