De op silicium gebaseerde computerchips die onze moderne apparaten van stroom voorzien vereisen enorme hoeveelheden energie om te werken. Ondanks de steeds betere computerefficiëntie, zal informatietechnologie naar verwachting in 25 ongeveer 2030% 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.
Wetenschappers maken van eeuwenoud materiaal een dunne film voor next-gen geheugen en logische apparaten
Elektronenmicroscoopbeelden tonen de precieze atoom-voor-atoomstructuur van een dunne film van bariumtitanaat (BaTiO3) ingeklemd tussen lagen strontiumruthenaat (SrRuO3) metaal om een kleine condensator te maken. (Tegoed: Lane Martin/Berkeley Lab)” data-medium-file=”https://cleantechnica.com/files/2022/06/lane-martin-microelectronics-image-cropped-1281×866-1-628×425-1-400×271.jpeg” data-large-file=”https://cleantechnica.com/files/2022/06/lane-martin-microelectronics-image-cropped-1281×866-1-628×425-1.jpeg” loading=”lazy” class=”wp-image-270070 size-full” src=”https://cleantechnica.com/files/2022/06/lane-martin-microelectronics-image-cropped-1281×866-1-628×425-1.jpeg” alt width=”628″ height=”425″ srcset=”https://cleantechnica.com/files/2022/06/lane-martin-microelectronics-image-cropped-1281×866-1-628×425-1.jpeg 628w, https://cleantechnica.com/files/2022/06/lane-martin-microelectronics-image-cropped-1281×866-1-628×425-1-400×271.jpeg 400w” sizes=”(max-width: 628px) 100vw, 628px”>
Elektronenmicroscoopbeelden tonen de precieze atoom-voor-atoomstructuur van een dunne film van bariumtitanaat (BaTiO3) ingeklemd tussen lagen strontiumruthenaat (SrRuO3) metaal om een kleine condensator te maken. (Tegoed: Lane Martin/Berkeley Lab)
De heilige graal voor het terugdringen van deze digitale vraag is het ontwikkelen van micro-elektronica die werkt op veel lagere spanningen, wat minder energie zou vergen en is een primair doel van inspanningen om verder te gaan dan de huidige state-of-the-art CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) 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" toestanden 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 wisten van 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, "zei Laan Martin, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division (MSD) bij Berkeley Lab en professor in materiaalwetenschappen en engineering aan 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 werden gepubliceerd in het tijdschrift Natuur materialen.
Om te begrijpen wat er nodig is om de beste, low-defect BaTiO . te produceren3 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 zien welke het belangrijkst zijn voor het beheersen van de eigenschappen", aldus 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 Berkeley Lab's Moleculaire Gieterij, 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 het plaatsen van een film van BaTiO3 tussen twee metalen lagen creëerden Martin en zijn team kleine 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 momenteel 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”, zegt Martin.
Dit onderzoek werd ondersteund door het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Office of Science. The Molecular Foundry is een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit in Berkeley Lab.
Berkeley Lab's “Voorbij de wet van Moore” initiatief is gericht op het identificeren van paden naar logica met ultralaag vermogen in geheugenelementen. "We moeten naar laagspanningsbedrijf gaan, want dat is wat de energie schaalt", zegt co-auteur Ramamoorthy Ramesh, een senior faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab en hoogleraar natuurkunde en materiaalwetenschappen en engineering aan UC Berkeley. "Dit werk demonstreerde voor het eerst het schakelveld van het modelmateriaal, BaTiO3 met spanningen lager dan 100 mV, op een relevant platform.”
Artikel met dank aan Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium (Berkeley Lab).
Zie ook: Wereldwijd aanbodtekorten: geen tijd, geen chips - geen probleem voor NREL
Uitgelichte foto: een macro van een siliciumwafel, door Laura Ockel on Unsplash
Bekijk onze gloednieuwe E-Bike Gids. Als je nieuwsgierig bent naar elektrische fietsen, dan is dit de beste plek om je e-mobiliteitsreis te beginnen!
Waardeer je de originaliteit van CleanTechnica en de berichtgeving over cleantech? Overweeg om een te worden CleanTechnica-lid, ondersteuner, technicus of ambassadeur - of een beschermheer op Patreon.
