De kiselbaserade datorchipsen som driver våra moderna enheter kräver enorma mängder energi för att fungera. Trots ständigt förbättrad datoreffektivitet beräknas informationstekniken förbruka omkring 25 % av all primärenergi som produceras till 2030. Forskare inom mikroelektronik och materialvetenskap söker sätt att på ett hållbart sätt hantera det globala behovet av datorkraft.

Den heliga gralen för att minska denna digitala efterfrågan är att utveckla mikroelektronik som arbetar vid mycket lägre spänningar, vilket skulle kräva mindre energi och är ett primärt mål för ansträngningarna att gå bortom dagens toppmoderna CMOS (komplementär metalloxid-halvledare) enheter.

Icke-kiselmaterial med lockande egenskaper för minnes- och logikenheter finns; men deras vanliga bulkform kräver fortfarande stora spänningar att manipulera, vilket gör dem inkompatibla med modern elektronik. Att designa tunnfilmsalternativ som inte bara fungerar bra vid låga driftsspänningar utan också kan packas in i mikroelektroniska enheter är fortfarande en utmaning.

Nu har ett team av forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley identifierat en energieffektiv väg – genom att syntetisera en tunnskiktsversion av ett välkänt material vars egenskaper är exakt vad som behövs för nästa generations enheter .

Första upptäckten för mer än 80 år sedan, bariumtitanat (BaTiO₃ ) hittats i olika kondensatorer för elektroniska kretsar, ultraljudsgeneratorer, givare och till och med ekolod.

Kristaller av materialet reagerar snabbt på ett litet elektriskt fält och vänder på orienteringen av de laddade atomerna som utgör materialet på ett reversibelt men permanent sätt även om det applicerade fältet tas bort. Detta ger ett sätt att växla mellan de ökända "0" och "1" tillstånden i logik- och minneslagringsenheter - men kräver fortfarande spänningar större än 1 000 millivolt (mV) för att göra det.

Det Berkeley Lab-ledda teamet försökte utnyttja dessa egenskaper för användning i mikrochips och utvecklade en väg för att skapa filmer av BaTiO₃ bara 25 nanometer tunt – mindre än en tusendel av ett människohårs bredd – vars orientering av laddade atomer, eller polarisering, växlar lika snabbt och effektivt som i bulkversionen.

"Vi har känt till BaTiO₃ i mer än ett sekel och vi har vetat hur man gör tunna filmer av detta material i över 40 år. Men hittills har ingen kunnat göra en film som kunde komma nära strukturen eller prestanda som kunde uppnås i bulk, säger Lane Martin, en fakultetsforskare vid Materials Sciences Division (MSD) vid Berkeley Lab och professor i materialvetenskap och ingenjör vid UC Berkeley som ledde arbetet.

Historiskt sett har syntesförsök resulterat i filmer som innehåller högre koncentrationer av "defekter" - punkter där strukturen skiljer sig från en idealiserad version av materialet - jämfört med bulkversioner. En sådan hög koncentration av defekter påverkar prestandan hos tunna filmer negativt. Martin och kollegor utvecklade ett tillvägagångssätt för att odla filmerna som begränsar dessa defekter. Resultaten publicerades i tidskriften Nature Materials.

För att förstå vad som krävs för att producera den bästa, lågdefekta BaTiO₃ tunna filmer vände sig forskarna till en process som kallas pulsad laseravsättning. Att avfyra en kraftfull stråle av ett ultraviolett laserljus mot ett keramiskt mål av BaTiO₃ får materialet att omvandlas till en plasma, som sedan överför atomer från målet till en yta för att växa filmen. "Det är ett mångsidigt verktyg där vi kan justera många rattar i filmens tillväxt och se vilka som är viktigast för att kontrollera egenskaperna", sa Martin.

Martin och hans kollegor visade att deras metod kunde uppnå exakt kontroll över den deponerade filmens struktur, kemi, tjocklek och gränssnitt med metallelektroder. Genom att hacka varje deponerat prov på mitten och titta på dess struktur atom för atom med hjälp av verktyg vid National Center for Electron Microscopy vid Berkeley Labs Molecular Foundry, avslöjade forskarna en version som exakt efterliknade en extremt tunn skiva av huvuddelen.

"Det är roligt att tänka att vi kan ta de här klassiska materialen som vi trodde att vi visste allt om, och vända dem på huvudet med nya tillvägagångssätt för att tillverka och karakterisera dem," sa Martin.

Slutligen, genom att placera en film av BaTiO₃ mellan två metalllager skapade Martin och hans team små kondensatorer – de elektroniska komponenterna som snabbt lagrar och frigör energi i en krets. Att applicera spänningar på 100 mV eller mindre och mäta strömmen som framträder visade att filmens polarisation växlade inom två miljarddelar av en sekund och potentiellt kan vara snabbare – konkurrenskraftig med vad som krävs för dagens datorer att komma åt minne eller utföra beräkningar.

Arbetet följer det större målet att skapa material med små kopplingsspänningar och att undersöka hur gränssnitt med metallkomponenter som krävs för enheter påverkar sådana material. "Detta är en bra tidig seger i vår strävan efter elektronik med låg effekt som går utöver vad som är möjligt med kiselbaserad elektronik idag", sa Martin.

"Till skillnad från våra nya enheter håller kondensatorerna som används i chips idag inte sina data om du inte fortsätter att lägga på en spänning", sa Martin. Och nuvarande teknologier fungerar i allmänhet vid 500 till 600 mV, medan en tunnfilmsversion kan fungera vid 50 till 100 mV eller mindre. Tillsammans visar dessa mätningar en framgångsrik optimering av spännings- och polarisationstålighet – vilket tenderar att vara en kompromiss, särskilt i tunna material.

Därefter planerar teamet att krympa materialet ännu tunnare för att göra det kompatibelt med riktiga enheter i datorer och studera hur det beter sig vid dessa små dimensioner. Samtidigt kommer de att arbeta med samarbetspartners på företag som Intel Corp. för att testa genomförbarheten i första generationens elektroniska enheter. "Om du kunde göra varje logisk operation i en dator miljon gånger effektivare, tänk på hur mycket energi du sparar. Det är därför vi gör det här", sa Martin. + Utforska vidare

Forskare löser mysteriet kring dielektriska egenskaper hos unik metalloxid