Un nuovo condensatore ultrasottile potrebbe consentire l'energia

I chip per computer a base di silicio che alimentano i nostri dispositivi moderni richiedono grandi quantità di energia per funzionare. Nonostante il continuo miglioramento dell’efficienza computazionale, si prevede che la tecnologia dell’informazione consumerà circa il 25% di tutta l’energia primaria prodotta entro il 2030. I ricercatori nelle comunità della microelettronica e delle scienze dei materiali sono alla ricerca di modi per gestire in modo sostenibile il fabbisogno globale di potenza di calcolo.

Il Santo Graal per ridurre questa domanda digitale è sviluppare microelettronica che funzioni a tensioni molto più basse, che richiederebbero meno energia ed è l'obiettivo primario degli sforzi per andare oltre l'attuale CMOS (semiconduttore complementare di ossido di metallo) dispositivi.

Esistono materiali diversi dal silicio con proprietà allettanti per dispositivi di memoria e logici; ma la loro comune forma sfusa richiede ancora grandi tensioni per essere manipolata, rendendoli incompatibili con l'elettronica moderna. Progettare alternative a film sottile che non solo funzionino bene a basse tensioni operative ma possano anche essere inserite in dispositivi microelettronici rimane una sfida.

Ora, un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell’UC Berkeley ha identificato un percorso efficiente dal punto di vista energetico, sintetizzando una versione a strato sottile di un materiale ben noto le cui proprietà sono esattamente ciò che è necessario per i dispositivi di prossima generazione. .

Scoperto per la prima volta più di 80 anni fa, il titanato di bario (BaTiO3) ha trovato impiego in vari condensatori per circuiti elettronici, generatori di ultrasuoni, trasduttori e persino sonar.

I cristalli del materiale rispondono rapidamente a un piccolo campo elettrico, invertendo l'orientamento degli atomi carichi che compongono il materiale in modo reversibile ma permanente anche se il campo applicato viene rimosso. Ciò fornisce un modo per passare tra i proverbiali stati "0" e "1" nella logica e nei dispositivi di archiviazione di memoria, ma richiede comunque tensioni superiori a 1.000 millivolt (mV) per farlo.

Cercando di sfruttare queste proprietà per l'uso nei microchip, il team guidato dal Berkeley Lab ha sviluppato un percorso per creare pellicole di BaTiO3 spesse appena 25 nanometri - meno di un millesimo della larghezza di un capello umano - il cui orientamento degli atomi carichi, o polarizzazione, cambia come in modo rapido ed efficiente come nella versione bulk.

"Conosciamo il BaTiO3 da quasi un secolo e sappiamo come realizzare film sottili di questo materiale da oltre 40 anni. Ma fino ad ora, nessuno era riuscito a realizzare un film che potesse avvicinarsi alla struttura o alle prestazioni questo potrebbe essere raggiunto in massa," ha detto Lane Martin, uno scienziato della facoltà di Scienze dei Materiali (MSD) al Berkeley Lab e professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley che ha guidato il lavoro.

Laboratorio di Berkeley"Oltre la legge di Moore" L'iniziativa mira a identificare i percorsi verso la logica a bassissimo consumo negli elementi della memoria. "Dobbiamo arrivare al funzionamento a bassa tensione, poiché questo è ciò che scala l'energia", ha detto il coautore Ramamoorthy Ramesh, scienziato senior della facoltà del Berkeley Lab e professore di fisica, scienza e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley. "Questo lavoro ha dimostrato, per la prima volta, il campo di commutazione del materiale modello, BaTiO3, con tensioni inferiori a 100 mV, su una piattaforma pertinente."

Storicamente, i tentativi di sintesi hanno prodotto pellicole che contengono concentrazioni più elevate di "difetti" (punti in cui la struttura differisce da una versione idealizzata del materiale) rispetto alle versioni sfuse. Una concentrazione così elevata di difetti influisce negativamente sulle prestazioni dei film sottili. Martin e colleghi hanno sviluppato un approccio alla crescita delle pellicole che limita questi difetti. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Materials.

Per capire cosa serve per produrre i migliori film sottili di BaTiO3 a basso difetto, i ricercatori si sono rivolti a un processo chiamato deposizione laser pulsata. Sparare un potente raggio di luce laser ultravioletta su un bersaglio ceramico di BaTiO3 fa sì che il materiale si trasformi in un plasma, che poi trasmette gli atomi dal bersaglio su una superficie per far crescere la pellicola. "È uno strumento versatile in cui possiamo modificare molte manopole nella crescita della pellicola e vedere quali sono le più importanti per il controllo delle proprietà", ha affermato Martin.