(Actualités Nanowerk) Les puces informatiques à base de silicium qui alimentent nos appareils modernes nécessitent de grandes quantités d’énergie pour fonctionner. Malgré une efficacité informatique en constante amélioration, les technologies de l’information devraient consommer environ 25 % de toute l’énergie primaire produite d’ici 2030. Les chercheurs des communautés de la microélectronique et des sciences des matériaux cherchent des moyens de gérer de manière durable les besoins mondiaux en puissance de calcul. Le Saint Graal pour réduire cette demande numérique est de développer une microélectronique fonctionnant à des tensions beaucoup plus faibles, ce qui nécessiterait moins d'énergie et constitue l'un des principaux objectifs des efforts visant à aller au-delà du CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire) de pointe actuel. dispositifs. Il existe des matériaux sans silicium dotés de propriétés attrayantes pour les dispositifs de mémoire et logiques ; mais leur forme massive commune nécessite toujours des tensions élevées pour être manipulées, ce qui les rend incompatibles avec l'électronique moderne. Concevoir des alternatives à couches minces qui non seulement fonctionnent bien à basse tension de fonctionnement, mais peuvent également être intégrées dans des dispositifs microélectroniques reste un défi. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'UC Berkeley ont identifié une voie économe en énergie : en synthétisant une version en couche mince d'un matériau bien connu dont les propriétés correspondent exactement à celles nécessaires aux appareils de nouvelle génération. . Les images au microscope électronique montrent la structure précise atome par atome du titanate de baryum en couche mince (BaTiO3) pris en sandwich entre des couches de ruthénate de strontium (SrRuO3) du métal pour fabriquer un petit condensateur. (Image : Lane Martin, Berkeley Lab) Découvert pour la première fois il y a plus de 80 ans, le titanate de baryum (BaTiO3) a trouvé une utilisation dans divers condensateurs pour circuits électroniques, générateurs d'ultrasons, transducteurs et même sonar. Les cristaux du matériau réagissent rapidement à un petit champ électrique, inversant l'orientation des atomes chargés qui composent le matériau de manière réversible mais permanente, même si le champ appliqué est supprimé. Cela permet de basculer entre les états proverbiaux « 0 » et « 1 » dans les dispositifs logiques et de stockage de mémoire, mais cela nécessite toujours des tensions supérieures à 1,000 XNUMX millivolts (mV). Cherchant à exploiter ces propriétés pour les utiliser dans les micropuces, l'équipe dirigée par le Berkeley Lab a développé une voie permettant de créer des films de BaTiO.3 seulement 25 nanomètres d'épaisseur – moins d'un millième de la largeur d'un cheveu humain – dont l'orientation des atomes chargés, ou polarisation, change aussi rapidement et efficacement que dans la version en vrac. « Nous connaissions BaTiO3 depuis près d'un siècle et nous savons fabriquer des films minces à partir de ce matériau depuis plus de 40 ans. Mais jusqu'à présent, personne ne pouvait réaliser un film qui pourrait se rapprocher de la structure ou des performances qui pourraient être obtenues en masse », a déclaré Lane Martin, chercheur à la Division des sciences des matériaux (MSD) du Berkeley Lab et professeur de science des matériaux et ingénieur à l'UC Berkeley qui a dirigé les travaux. Historiquement, les tentatives de synthèse ont abouti à des films contenant des concentrations plus élevées de « défauts » – des points où la structure diffère d’une version idéalisée du matériau – par rapport aux versions massives. Une telle concentration de défauts a un impact négatif sur les performances des films minces. Martin et ses collègues ont développé une approche pour développer les films qui limite ces défauts. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Materials ("Permettre la commutation ultra-basse tension dans BaTiO3"). Comprendre ce qu'il faut pour produire le meilleur BaTiO à faibles défauts3 couches minces, les chercheurs se sont tournés vers un processus appelé dépôt par laser pulsé. Tir d'un puissant faisceau de lumière laser ultraviolette sur une cible en céramique de BaTiO3 provoque la transformation du matériau en un plasma, qui transmet ensuite les atomes de la cible sur une surface pour faire croître le film. "C'est un outil polyvalent qui nous permet d'ajuster de nombreux boutons dans la croissance du film et de voir lesquels sont les plus importants pour contrôler les propriétés", a déclaré Martin. Martin et ses collègues ont montré que leur méthode permettait de contrôler avec précision la structure, la chimie, l'épaisseur et les interfaces du film déposé avec les électrodes métalliques. En coupant chaque échantillon déposé en deux et en examinant sa structure atome par atome à l'aide d'outils du Centre national de microscopie électronique de la fonderie moléculaire du Berkeley Lab, les chercheurs ont révélé une version qui imitait précisément une tranche extrêmement fine de la masse. "C'est amusant de penser que nous pouvons prendre ces matériaux classiques dont nous pensions tout savoir et les renverser avec de nouvelles approches pour les fabriquer et les caractériser", a déclaré Martin. Enfin, en plaçant un film de BaTiO3 Entre deux couches métalliques, Martin et son équipe ont créé de minuscules condensateurs, des composants électroniques qui stockent et libèrent rapidement de l'énergie dans un circuit. L'application de tensions de 100 mV ou moins et la mesure du courant qui en résulte ont montré que la polarisation du film a changé en deux milliardièmes de seconde et pourrait potentiellement être plus rapide – ce qui est compétitif par rapport à ce qu'il faut aux ordinateurs d'aujourd'hui pour accéder à la mémoire ou effectuer des calculs. Le travail poursuit l’objectif plus large de créer des matériaux avec de faibles tensions de commutation et d’examiner l’impact des interfaces avec les composants métalliques nécessaires aux dispositifs sur ces matériaux. "Il s'agit d'une première victoire dans notre quête d'une électronique de faible consommation qui va au-delà de ce qui est possible aujourd'hui avec l'électronique à base de silicium", a déclaré Martin. "Contrairement à nos nouveaux appareils, les condensateurs utilisés aujourd'hui dans les puces ne conservent pas leurs données à moins que vous ne continuiez à appliquer une tension", a déclaré Martin. Et les technologies actuelles fonctionnent généralement entre 500 et 600 mV, tandis qu’une version à couche mince pourrait fonctionner entre 50 et 100 mV ou moins. Ensemble, ces mesures démontrent une optimisation réussie de la robustesse en tension et en polarisation, qui constituent généralement un compromis, en particulier dans les matériaux minces. Ensuite, l’équipe prévoit de réduire encore plus le matériau pour le rendre compatible avec les appareils réels des ordinateurs et d’étudier son comportement dans ces dimensions minuscules. Dans le même temps, ils travailleront avec des collaborateurs d'entreprises telles qu'Intel Corp. pour tester la faisabilité des appareils électroniques de première génération. « Si vous pouviez rendre chaque opération logique d’un ordinateur un million de fois plus efficace, pensez à la quantité d’énergie que vous économiseriez. C'est pourquoi nous faisons cela », a déclaré Martin.