Nuevo condensador ultrafino podría habilitar la energía

Los chips de computadora basados ​​en silicio que alimentan nuestros dispositivos modernos requieren grandes cantidades de energía para funcionar. A pesar de la mejora constante de la eficiencia informática, se prevé que la tecnología de la información consuma alrededor del 25 % de toda la energía primaria producida para 2030. Los investigadores de las comunidades de microelectrónica y ciencias de los materiales están buscando formas de gestionar de forma sostenible la necesidad mundial de potencia informática.

El santo grial para reducir esta demanda digital es desarrollar microelectrónica que opere a voltajes mucho más bajos, lo que requeriría menos energía y es un objetivo principal de los esfuerzos para ir más allá del CMOS (semiconductor complementario de óxido de metal) de última generación. dispositivos.

Existen materiales que no son de silicio con propiedades tentadoras para la memoria y los dispositivos lógicos; pero su forma masiva común aún requiere grandes voltajes para manipular, lo que los hace incompatibles con la electrónica moderna. Sigue siendo un desafío diseñar alternativas de película delgada que no solo funcionen bien a voltajes operativos bajos, sino que también puedan empaquetarse en dispositivos microelectrónicos.

Ahora, un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y UC Berkeley han identificado una ruta energéticamente eficiente mediante la síntesis de una versión de capa delgada de un material bien conocido cuyas propiedades son exactamente las que se necesitan para los dispositivos de próxima generación. .

Descubierto por primera vez hace más de 80 años, el titanato de bario (BaTiO3) encontró uso en varios capacitores para circuitos electrónicos, generadores ultrasónicos, transductores e incluso sonar.

Los cristales del material responden rápidamente a un pequeño campo eléctrico, cambiando la orientación de los átomos cargados que componen el material de manera reversible pero permanente, incluso si se elimina el campo aplicado. Esto proporciona una forma de cambiar entre los proverbiales estados "0" y "1" en los dispositivos de almacenamiento de memoria y lógica, pero aún requiere voltajes superiores a 1,000 milivoltios (mV) para hacerlo.

Buscando aprovechar estas propiedades para su uso en microchips, el equipo dirigido por Berkeley Lab desarrolló una vía para crear películas de BaTiO3 de solo 25 nanómetros de espesor, menos de una milésima parte del ancho de un cabello humano, cuya orientación de átomos cargados, o polarización, cambia como rápida y eficientemente como en la versión masiva.

"Conocemos el BaTiO3 durante la mayor parte de un siglo y sabemos cómo hacer películas delgadas de este material durante más de 40 años. Pero hasta ahora, nadie podía hacer una película que pudiera acercarse a la estructura o el rendimiento. eso podría lograrse a granel", dijo Lane Martin, científico de la facultad en la División de Ciencias de Materiales (MSD) en Berkeley Lab y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley, quien dirigió el trabajo.

Laboratorio de Berkeley"Más allá de la Ley de Moore" La iniciativa tiene como objetivo identificar vías hacia la lógica de potencia ultrabaja en elementos de memoria. "Necesitamos llegar a la operación de bajo voltaje, ya que eso es lo que escala la energía", dijo el coautor Ramamoorthy Ramesh, científico senior de la facultad en Berkeley Lab y profesor de física y ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. "Este trabajo demostró, por primera vez, el campo de conmutación del material modelo, BaTiO3, con voltajes inferiores a 100 mV, en una plataforma relevante".

Históricamente, los intentos de síntesis han dado como resultado películas que contienen concentraciones más altas de "defectos" (puntos en los que la estructura difiere de una versión idealizada del material) en comparación con las versiones a granel. Una concentración tan alta de defectos afecta negativamente el rendimiento de las películas delgadas. Martin y sus colegas desarrollaron un enfoque para hacer crecer las películas que limita esos defectos. Los hallazgos fueron publicados en la revista Nature Materials.

Para comprender lo que se necesita para producir las mejores películas delgadas de BaTiO3 con pocos defectos, los investigadores recurrieron a un proceso llamado deposición de láser pulsado. Disparar un potente haz de luz láser ultravioleta sobre un objetivo cerámico de BaTiO3 hace que el material se transforme en un plasma, que luego transmite átomos desde el objetivo a una superficie para hacer crecer la película. "Es una herramienta versátil en la que podemos ajustar muchas perillas en el crecimiento de la película y ver cuáles son las más importantes para controlar las propiedades", dijo Martin.

Martin y sus colegas demostraron que su método podía lograr un control preciso sobre la estructura, la química, el espesor y las interfaces con los electrodos metálicos de la película depositada. Al cortar cada muestra depositada por la mitad y observar su estructura átomo por átomo utilizando herramientas del Centro Nacional de Microscopía Electrónica en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, los investigadores revelaron una versión que imitaba con precisión una porción extremadamente delgada de la masa.

"Es divertido pensar que podemos tomar estos materiales clásicos sobre los que creíamos que sabíamos todo, y darles la vuelta con nuevos enfoques para fabricarlos y caracterizarlos", dijo Martin.

Finalmente, al colocar una película de BaTiO3 entre dos capas de metal, Martin y su equipo crearon pequeños condensadores, los componentes electrónicos que almacenan y liberan energía rápidamente en un circuito. La aplicación de voltajes de 100 mV o menos y la medición de la corriente que emerge mostró que la polarización de la película cambió en dos mil millonésimas de segundo y podría ser potencialmente más rápida, competitiva con lo que necesitan las computadoras actuales para acceder a la memoria o realizar cálculos.

El trabajo sigue el objetivo más amplio de crear materiales con voltajes de conmutación pequeños y examinar cómo las interfaces con los componentes metálicos necesarios para los dispositivos impactan en dichos materiales. "Esta es una buena victoria temprana en nuestra búsqueda de electrónica de bajo consumo que vaya más allá de lo que es posible con la electrónica basada en silicio hoy en día", dijo Martin.

"A diferencia de nuestros nuevos dispositivos, los capacitores que se usan en los chips hoy en día no retienen sus datos a menos que sigas aplicando un voltaje", dijo Martin. Y las tecnologías actuales generalmente funcionan de 500 a 600 mV, mientras que una versión de película delgada podría funcionar de 50 a 100 mV o menos. Juntas, estas mediciones demuestran una optimización exitosa de la robustez del voltaje y la polarización, que tienden a ser una compensación, especialmente en materiales delgados.

A continuación, el equipo planea reducir el material aún más delgado para hacerlo compatible con dispositivos reales en las computadoras y estudiar cómo se comporta en esas diminutas dimensiones. Al mismo tiempo, trabajarán con colaboradores de empresas como Intel Corp. para probar la viabilidad en dispositivos electrónicos de primera generación. "Si pudieras hacer cada operación lógica en una computadora un millón de veces más eficiente, piensa en cuánta energía ahorrarías. Por eso estamos haciendo esto", dijo Martin.

Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE). Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Berkeley Lab.