(Nanowerk Haberleri) Modern cihazlarımıza güç veren silikon bazlı bilgisayar çiplerinin çalışması için çok büyük miktarda enerji gerekiyor. Sürekli gelişen bilgi işlem verimliliğine rağmen, bilgi teknolojisinin 25 yılına kadar üretilen tüm birincil enerjinin yaklaşık %2030'ini tüketeceği öngörülüyor. Mikroelektronik ve malzeme bilimleri topluluklarındaki araştırmacılar, küresel bilgi işlem gücüne olan ihtiyacı sürdürülebilir bir şekilde yönetmenin yollarını arıyor. Bu dijital talebi azaltmanın kutsal kâsesi, çok daha düşük voltajlarda çalışan, daha az enerji gerektiren mikroelektroniklerin geliştirilmesidir ve günümüzün en gelişmiş CMOS'unun (tamamlayıcı metal oksit yarı iletken) ötesine geçme çabalarının temel hedefidir. cihazlar. Bellek ve mantık aygıtları için cazip özelliklere sahip silikon olmayan malzemeler mevcuttur; ancak bunların ortak toplu formları, işlemek için hala büyük voltajlar gerektiriyor ve bu da onları modern elektronikle uyumsuz hale getiriyor. Yalnızca düşük çalışma voltajlarında iyi performans göstermekle kalmayıp aynı zamanda mikroelektronik cihazlara sığdırılabilen ince film alternatiflerinin tasarlanması hala bir zorluktur. Şimdi, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Laboratuvarı) ve UC Berkeley'deki araştırmacılardan oluşan bir ekip, özellikleri tam olarak yeni nesil cihazlar için ihtiyaç duyulan özelliklere sahip, iyi bilinen bir malzemenin ince katmanlı bir versiyonunu sentezleyerek, enerji açısından verimli bir yol belirledi. . Elektron mikroskobu görüntüleri, ince film baryum titanatın (BaTiO) atom atom kesin yapısını göstermektedir.3) stronsiyum rutenat katmanları arasına sıkıştırılmıştır (SrRuO3) küçük bir kapasitör yapmak için metal. (Resim: Lane Martin, Berkeley Laboratuvarı) İlk kez 80 yıldan fazla bir süre önce keşfedilen baryum titanat (BaTiO)3) elektronik devreler, ultrasonik jeneratörler, dönüştürücüler ve hatta sonar için çeşitli kapasitörlerde kullanım alanı buldu. Malzemenin kristalleri, küçük bir elektrik alanına hızla tepki verir ve malzemeyi oluşturan yüklü atomların yönelimini, uygulanan alan kaldırılsa bile tersine çevrilebilir ancak kalıcı bir şekilde değiştirir. Bu, mantık ve bellek depolama cihazlarında meşhur "0" ve "1" durumları arasında geçiş yapmanın bir yolunu sağlar; ancak bunu yapmak için yine de 1,000 milivolttan (mV) daha yüksek voltajlar gerekir. Bu özellikleri mikroçiplerde kullanmak üzere kullanmayı amaçlayan Berkeley Laboratuvarı liderliğindeki ekip, BaTiO filmleri oluşturmak için bir yol geliştirdi3 yalnızca 25 nanometre inceliğinde (insan saçının genişliğinin binde birinden daha az) yüklü atomların yönelimi veya polarizasyonu toplu versiyondaki kadar hızlı ve verimli bir şekilde değişiyor. “BaTiO'yu biliyorduk3 yüzyılın büyük bir bölümünde bu malzemeden ince filmlerin nasıl yapılacağını 40 yılı aşkın süredir biliyoruz. Ancak şimdiye kadar hiç kimse toplu olarak elde edilebilecek yapıya veya performansa yaklaşabilecek bir film yapamadı" dedi Berkeley Laboratuvarı Malzeme Bilimleri Bölümü'nde (MSD) öğretim üyesi bilim insanı ve malzeme bilimi profesörü Lane Martin ve UC Berkeley'de çalışmayı yöneten mühendis. Tarihsel olarak, sentez girişimleri, toplu versiyonlara kıyasla daha yüksek konsantrasyonlarda "kusurlar" (yapının malzemenin idealleştirilmiş bir versiyonundan farklı olduğu noktalar) içeren filmlerle sonuçlanmıştır. Bu kadar yüksek kusur konsantrasyonu, ince filmlerin performansını olumsuz etkiler. Martin ve meslektaşları, filmleri büyütmek için bu kusurları sınırlayan bir yaklaşım geliştirdiler. Bulgular dergide yayınlandı Doğa Malzemeleri (“BaTiO'da ultra düşük voltaj anahtarlamanın etkinleştirilmesi3"). En iyi, düşük kusurlu BaTiO'yu üretmek için ne gerektiğini anlamak3 Araştırmacılar ince filmleri inceleyerek darbeli lazer biriktirme adı verilen bir sürece yöneldiler. BaTiO'nun seramik bir hedefine güçlü bir ultraviyole lazer ışığı ışınının ateşlenmesi3 malzemenin bir plazmaya dönüşmesine neden olur, bu da daha sonra filmi büyütmek için atomları hedeften bir yüzeye iletir. Martin, "Filmin büyümesinde birçok düğmeyi değiştirebileceğimiz ve hangilerinin özellikleri kontrol etmek için en önemli olduğunu görebileceğimiz çok yönlü bir araç" dedi. Martin ve meslektaşları, yöntemlerinin biriktirilen filmin yapısı, kimyası, kalınlığı ve metal elektrotlarla arayüzleri üzerinde hassas kontrol sağlayabildiğini gösterdi. Araştırmacılar, biriktirilen her numuneyi ikiye bölerek ve Berkeley Laboratuvarı Moleküler Dökümhanesindeki Ulusal Elektron Mikroskobu Merkezi'ndeki araçları kullanarak yapısına atom atom bakarak, kütlenin son derece ince bir dilimini tam olarak taklit eden bir versiyonu ortaya çıkardılar. Martin, "Hakkında her şeyi bildiğimizi düşündüğümüz bu klasik malzemeleri alıp, bunları yapmak ve karakterize etmek için yeni yaklaşımlarla baş aşağı çevirebileceğimizi düşünmek eğlenceli" dedi. Son olarak, bir BaTiO filmi yerleştirerek3 Martin ve ekibi, iki metal katman arasında küçük kapasitörler (bir devrede enerjiyi hızla depolayan ve serbest bırakan elektronik bileşenler) yarattı. 100 mV veya daha düşük gerilimlerin uygulanması ve ortaya çıkan akımın ölçülmesi, filmin polarizasyonunun saniyenin milyarda biri kadar bir sürede değiştiğini ve potansiyel olarak daha hızlı olabileceğini gösterdi; günümüz bilgisayarlarının belleğe erişmesi veya hesaplama yapması için gerekenlerle rekabet edebilecek düzeyde. Çalışma, küçük anahtarlama voltajlarına sahip malzemeler yaratma ve cihazlar için gerekli olan metal bileşenlerle arayüzlerin bu tür malzemeleri nasıl etkilediğini inceleme gibi daha büyük bir hedefi takip ediyor. Martin, "Bu, bugün silikon bazlı elektroniklerle mümkün olanın ötesine geçen düşük güçlü elektronik arayışımızda iyi bir erken zafer" dedi. Martin, "Yeni cihazlarımızdan farklı olarak, bugün çiplerde kullanılan kapasitörler, siz voltaj uygulamaya devam etmediğiniz sürece verilerini tutmuyor" dedi. Mevcut teknolojiler genellikle 500 ila 600 mV arasında çalışırken, ince film versiyonu 50 ila 100 mV veya daha düşük değerlerde çalışabilir. Bu ölçümler hep birlikte, gerilim ve polarizasyon sağlamlığının başarılı bir optimizasyonunu ortaya koyuyor; bu da özellikle ince malzemelerde bir denge olma eğiliminde. Ekip daha sonra malzemeyi bilgisayarlardaki gerçek cihazlarla uyumlu hale getirmek için daha da inceltmeyi ve bu küçük boyutlarda nasıl davrandığını incelemeyi planlıyor. Aynı zamanda birinci nesil elektronik cihazların fizibilitesini test etmek için Intel Corp. gibi şirketlerdeki işbirlikçileriyle birlikte çalışacaklar. “Bir bilgisayardaki her mantıksal işlemi milyonlarca kat daha verimli hale getirebilseydiniz, ne kadar enerji tasarrufu yapacağınızı bir düşünün. Bunu bu yüzden yapıyoruz” dedi Martin.