I chip per computer a base di silicio che alimentano i nostri dispositivi moderni richiedono grandi quantità di energia per funzionare. Nonostante l'efficienza informatica in continuo miglioramento, si prevede che la tecnologia dell'informazione consumerà circa il 25% di tutta l'energia primaria prodotta entro il 2030. I ricercatori delle comunità della microelettronica e delle scienze dei materiali stanno cercando 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 voltaggi molto più bassi, che richiederebbero meno energia ed è un obiettivo primario degli sforzi per andare oltre l'attuale CMOS (semiconduttore a ossido di metallo complementare) all'avanguardia dispositivi.

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

Ora, un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'UC Berkeley hanno identificato un percorso efficiente dal punto di vista energetico:sintetizzando una versione a strato sottile di un noto materiale le cui proprietà sono esattamente quelle necessarie 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, ribaltando 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 dai proverbiali stati "0" e "1" nei dispositivi di archiviazione logici e di memoria, ma per farlo richiede comunque tensioni superiori a 1.000 millivolt (mV).

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

"Sappiamo di BaTiO₃ per quasi un secolo e sappiamo come realizzare film sottili di questo materiale da oltre 40 anni. Ma fino ad ora, nessuno poteva realizzare un film che potesse avvicinarsi alla struttura o alle prestazioni che si potrebbero ottenere in blocco", ha affermato Lane Martin, scienziato della facoltà della Divisione di scienze dei materiali (MSD) al Berkeley Lab e professore di scienze dei materiali e ingegneria alla UC Berkeley che ha guidato il lavoro.

Storicamente, i tentativi di sintesi hanno portato a film 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 ha un impatto negativo sulle prestazioni dei film sottili. Martin e colleghi hanno sviluppato un approccio alla crescita dei film che limita questi difetti. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Materials.

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

Martin ei suoi colleghi hanno dimostrato che il loro metodo potrebbe ottenere un controllo preciso sulla struttura, la chimica, lo spessore e le interfacce del film depositato con elettrodi metallici. Tagliando a metà ogni campione depositato e osservando la sua struttura atomo per atomo utilizzando gli strumenti del National Center for Electron Microscopy presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab, i ricercatori hanno rivelato una versione che imitava con precisione una fetta estremamente sottile della massa.

"È divertente pensare di poter prendere questi materiali classici di cui pensavamo di sapere tutto e capovolgerli con nuovi approcci per realizzarli e caratterizzarli", ha affermato Martin.

Infine, posizionando un film di BaTiO₃ tra due strati di metallo, Martin e il suo team hanno creato minuscoli condensatori, i componenti elettronici che immagazzinano e rilasciano rapidamente energia in un circuito. L'applicazione di tensioni di 100 mV o meno e la misurazione della corrente che emerge ha mostrato che la polarizzazione della pellicola è cambiata entro due miliardesimi di secondo e potrebbe essere potenzialmente più veloce, competitiva con quanto necessario ai computer di oggi per accedere alla memoria o eseguire calcoli.

Il lavoro segue l'obiettivo più grande di creare materiali con piccole tensioni di commutazione ed esaminare come le interfacce con i componenti metallici necessari per i dispositivi influiscono su tali materiali. "Questa è una buona vittoria iniziale nella nostra ricerca di elettronica a bassa potenza che vada oltre ciò che è possibile oggi con l'elettronica a base di silicio", ha affermato Martin.

"A differenza dei nostri nuovi dispositivi, i condensatori utilizzati nei chip oggi non conservano i loro dati a meno che non si continui ad applicare una tensione", ha affermato Martin. E le tecnologie attuali generalmente funzionano a 500-600 mV, mentre una versione a film sottile potrebbe funzionare a 50-100 mV o meno. Insieme, queste misurazioni dimostrano un'ottimizzazione riuscita della robustezza della tensione e della polarizzazione, che tendono a essere un compromesso, soprattutto nei materiali sottili.

Successivamente, il team prevede di ridurre il materiale ancora più sottile per renderlo compatibile con i dispositivi reali nei computer e studiare come si comporta a quelle dimensioni minuscole. Allo stesso tempo, lavoreranno con collaboratori di aziende come Intel Corp. per testare la fattibilità nei dispositivi elettronici di prima generazione. "Se potessi rendere ogni operazione logica in un computer un milione di volte più efficiente, pensa a quanta energia risparmi. Ecco perché lo stiamo facendo", ha affermato Martin. + Esplora ulteriormente

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