(Phys.org) — Man mano che la microelettronica diventa sempre più piccola, una delle maggiori sfide per imballare uno smartphone o un tablet con la massima potenza di elaborazione e memoria è la quantità di calore generata dai minuscoli "interruttori" nel cuore del dispositivo.

Un film complesso di ossido di metallo, progettato da IBM e dall'Università del Texas, ricercatori di Austin (UTA), e testato presso IBM, la National Synchrotron Light Source (NSLS) presso il Brookhaven National Laboratory, e l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - potrebbero aiutare a ridurre la tensione necessaria per commutare i segnali elettronici, e quindi l'energia eccessiva di cui hanno bisogno. La loro ricerca è pubblicata nel numero di ottobre di Nanotecnologia della natura .

"Questo progetto è sviluppare film che ci permetteranno di diminuire la tensione necessaria per far girare l'interruttore in un nanotransistor, " disse Jean Jordan-Sweet, un ricercatore IBM presso NSLS. "L'accento è posto sul tentativo di incorporare i materiali ferroelettrici nei dispositivi standard del settore a base di silicio per aumentare le prestazioni riducendo la necessità di più tensione".

Un team di ricercatori, guidato dalla ricercatrice IBM Catherine Dubourdieu del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica, è stato in grado di commutare la polarizzazione ferroelettrica di questi film senza l'uso di un elettrodo inferiore conduttore, che potrebbe consentire dispositivi più piccoli che massimizzano la produzione senza calore in eccesso.

Per fare questo, i ricercatori dell'UTA hanno coltivato un film di titanato di bario su una base di silicio utilizzando l'epitassia a fascio molecolare, un metodo che deposita uno strato cristallino in registro con un substrato monocristallino. Grazie alla microscopia a forza di risposta piezoelettrica eseguita presso l'ORNL, il team ha determinato che il materiale risultante era ferroelettrico, il che significa che ha una polarizzazione elettrica che può essere invertita quando viene applicato un campo elettrico esterno. Ciò è utile non solo per dispositivi logici a bassa potenza ma anche per memorie non volatili.

"Questi film ferroelettrici possono cambiare, e una volta cambiati sono stabili a temperatura ambiente; inoltre puoi realizzare queste cose su una nanoscala davvero piccola e ci sono molti modi per incorporarle in dispositivi microelettronici, " ha detto Jordan-Sweet.

Far crescere la pellicola sopra il silicio richiede finezza. Le strutture cristalline del titanato di bario e del silicio non si allineano esattamente, quindi è un po' come cercare di far entrare delle palline da tennis in una scatola di uova. Sono troppo grandi per le depressioni, quindi è necessario aggiungere uno strato tampone per garantire che venga effettuato un buon registro tra le due sostanze. In questo caso, il titanato di stronzio è stato utilizzato perché la sua dimensione dell'unità di cristallo è compresa tra quella del silicio e il titanato di bario, che consente un graduale riallineamento della struttura cristallina nel film.

Una volta che i film sono stati cresciuti con successo, Dubourdieu e Jordan-Sweet hanno utilizzato la linea di luce X20A presso NSLS per eseguire test di diffrazione dei raggi X per caratterizzare la tetragonalità - o il "fuori squadro" della struttura cristallina - all'interno del film. Hanno scoperto che lo strato tampone induce la struttura corretta nel titanato di bario in modo che le unità cristalline tetragonali, e quindi la polarizzazione elettrica, puntato nella direzione corretta per realizzare buoni transistor.

Utilizzando la microscopia a forza di risposta piezoelettrica presso l'Oak Ridge National Laboratory, il team ha scoperto che potevano produrre commutazione ferroelettrica all'interno di film da 8 a 40 nanometri di spessore, sebbene uno spessore di soli 10 nanometri fosse il migliore per garantire che la polarità attraverso il film fosse distribuita uniformemente.