Neuer ultradünner Kondensator könnte Energie ermöglichen

Die siliziumbasierten Computerchips, die unsere modernen Geräte antreiben benötigen für ihren Betrieb enorme Energiemengen. Trotz immer besserer Recheneffizienz wird die Informationstechnologie bis 2030 voraussichtlich rund 25 % der gesamten Primärenergie verbrauchen. Forscher in den Bereichen Mikroelektronik und Materialwissenschaften suchen nach Möglichkeiten, den weltweiten Bedarf an Rechenleistung nachhaltig zu decken.

Der heilige Gral zur Reduzierung dieses digitalen Bedarfs ist die Entwicklung von Mikroelektronik, die mit viel niedrigeren Spannungen arbeitet, was weniger Energie erfordern würde und ein vorrangiges Ziel der Bemühungen ist, über den heutigen hochmodernen CMOS (komplementärer Metalloxid-Halbleiter) hinauszugehen. Geräte.

Es gibt Nicht-Silizium-Materialien mit verlockenden Eigenschaften für Speicher- und Logikgeräte; Ihre übliche Massenform erfordert jedoch immer noch große Spannungen zur Manipulation, was sie mit moderner Elektronik unvereinbar macht. Die Entwicklung von Dünnschicht-Alternativen, die nicht nur bei niedrigen Betriebsspannungen gut funktionieren, sondern auch in mikroelektronische Geräte gepackt werden können, bleibt eine Herausforderung.

Nun hat ein Forscherteam des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der UC Berkeley einen energieeffizienten Weg identifiziert – durch die Synthese einer Dünnschichtversion eines bekannten Materials, dessen Eigenschaften genau das sind, was für Geräte der nächsten Generation benötigt wird .

Bariumtitanat (BaTiO3) wurde erstmals vor mehr als 80 Jahren entdeckt und fand Verwendung in verschiedenen Kondensatoren für elektronische Schaltkreise, Ultraschallgeneratoren, Wandlern und sogar Sonar.

Kristalle des Materials reagieren schnell auf ein kleines elektrisches Feld und ändern die Ausrichtung der geladenen Atome, aus denen das Material besteht, auf reversible, aber dauerhafte Weise, selbst wenn das angelegte Feld entfernt wird. Dies bietet eine Möglichkeit, in Logik- und Speichergeräten zwischen den sprichwörtlichen „0“- und „1“-Zuständen umzuschalten – hierfür sind jedoch immer noch Spannungen von mehr als 1.000 Millivolt (mV) erforderlich.

Um diese Eigenschaften für den Einsatz in Mikrochips zu nutzen, entwickelte das vom Berkeley Lab geleitete Team einen Weg zur Herstellung von BaTiO3-Filmen mit einer Dicke von nur 25 Nanometern – weniger als einem Tausendstel der Breite eines menschlichen Haares –, deren Ausrichtung geladener Atome oder Polarisation sich je nach Bedarf ändert schnell und effizient wie in der Massenversion.

„Wir kennen BaTiO3 seit fast einem Jahrhundert und wissen seit über 40 Jahren, wie man dünne Filme aus diesem Material herstellt. Aber bis jetzt konnte niemand einen Film herstellen, der der Struktur oder Leistung auch nur annähernd nahe kommt.“ das könnte in großen Mengen erreicht werden“, sagte Lane Martin, Fakultätswissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaften (MSD) am Berkeley Lab und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UC Berkeley, der die Arbeit leitete.

Berkeley Labs„Jenseits von Moores Gesetz“ Die Initiative zielt darauf ab, Wege zu Ultra-Low-Power-Logik in Speicherelementen zu identifizieren. „Wir müssen zum Niederspannungsbetrieb übergehen, da dieser die Energie skaliert“, sagte Co-Autor Ramamoorthy Ramesh, leitender Fakultätswissenschaftler am Berkeley Lab und Professor für Physik sowie Materialwissenschaft und -technik an der UC Berkeley. „Diese Arbeit demonstrierte zum ersten Mal das Schaltfeld des Modellmaterials BaTiO3 mit Spannungen unter 100 mV auf einer relevanten Plattform.“

Historisch gesehen haben Syntheseversuche zu Filmen geführt, die im Vergleich zu Massenversionen eine höhere Konzentration an „Defekten“ – Punkten, an denen die Struktur von einer idealisierten Version des Materials abweicht – aufweisen. Eine derart hohe Fehlerkonzentration wirkt sich negativ auf die Leistung dünner Filme aus. Martin und Kollegen entwickelten einen Ansatz für die Filmzüchtung, der diese Mängel begrenzt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Um zu verstehen, was nötig ist, um die besten, defektarmen BaTiO3-Dünnfilme herzustellen, wandten sich die Forscher einem Prozess zu, der als gepulste Laserabscheidung bezeichnet wird. Durch das Abfeuern eines starken ultravioletten Laserlichtstrahls auf ein Keramiktarget aus BaTiO3 verwandelt sich das Material in ein Plasma, das dann Atome vom Target auf eine Oberfläche überträgt, um den Film wachsen zu lassen. „Es ist ein vielseitiges Werkzeug, mit dem wir viele Regler im Filmwachstum einstellen und sehen können, welche für die Steuerung der Eigenschaften am wichtigsten sind“, sagte Martin.

Martin und seine Kollegen zeigten, dass ihre Methode eine präzise Kontrolle über die Struktur, Chemie, Dicke und Grenzflächen des abgeschiedenen Films mit Metallelektroden ermöglichen kann. Indem die Forscher jede abgelagerte Probe in zwei Hälften zerschnitten und ihre Struktur Atom für Atom mit Werkzeugen am National Center for Electron Microscopy in der Molecular Foundry des Berkeley Lab untersuchten, entdeckten die Forscher eine Version, die ein extrem dünnes Stück der Masse präzise nachahmte.

„Es macht Spaß zu denken, dass wir diese klassischen Materialien, von denen wir dachten, wir wüssten alles über sie, auf den Kopf stellen und neue Ansätze für ihre Herstellung und Charakterisierung entwickeln können“, sagte Martin.

Indem Martin und sein Team schließlich einen Film aus BaTiO3 zwischen zwei Metallschichten platzierten, schufen sie winzige Kondensatoren – elektronische Komponenten, die Energie in einem Stromkreis schnell speichern und wieder abgeben. Das Anlegen von Spannungen von 100 mV oder weniger und die Messung des entstehenden Stroms zeigten, dass die Polarisation des Films innerhalb von zwei Milliardstel Sekunden wechselte und möglicherweise schneller sein könnte – konkurrenzfähig mit dem, was heutige Computer benötigen, um auf den Speicher zuzugreifen oder Berechnungen durchzuführen.

Die Arbeit verfolgt das größere Ziel, Materialien mit kleinen Schaltspannungen zu schaffen und zu untersuchen, wie sich Schnittstellen zu den für Geräte notwendigen Metallkomponenten auf solche Materialien auswirken. „Dies ist ein guter früher Sieg in unserem Streben nach Elektronik mit geringem Stromverbrauch, der über das hinausgeht, was heute mit Elektronik auf Siliziumbasis möglich ist“, sagte Martin.

„Im Gegensatz zu unseren neuen Geräten speichern die heute in Chips verwendeten Kondensatoren ihre Daten nicht, es sei denn, man legt ständig Spannung an“, sagte Martin. Aktuelle Technologien arbeiten im Allgemeinen bei 500 bis 600 mV, während eine Dünnschichtversion bei 50 bis 100 mV oder weniger arbeiten könnte. Zusammengenommen zeigen diese Messungen eine erfolgreiche Optimierung der Spannungs- und Polarisationsrobustheit – die insbesondere bei dünnen Materialien tendenziell einen Kompromiss darstellen.

Als nächstes plant das Team, das Material noch dünner zu machen, um es mit echten Geräten in Computern kompatibel zu machen, und zu untersuchen, wie es sich bei diesen winzigen Abmessungen verhält. Gleichzeitig werden sie mit Mitarbeitern von Unternehmen wie Intel Corp. zusammenarbeiten, um die Machbarkeit in elektronischen Geräten der ersten Generation zu testen. „Wenn Sie jede logische Operation in einem Computer millionenfach effizienter machen könnten, denken Sie darüber nach, wie viel Energie Sie sparen. Deshalb machen wir das“, sagte Martin.

Diese Forschung wurde vom Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) unterstützt. Die Molecular Foundry ist eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science im Berkeley Lab.