(Phys.org) — När mikroelektroniken blir mindre och mindre, en av de största utmaningarna med att packa en smartphone eller surfplatta med maximal processorkraft och minne är mängden värme som genereras av de små "switcharna" i enhetens hjärta.

En komplex metalloxidfilm – designad av IBM och University of Texas, Austin (UTA) forskare, och testad hos IBM, National Synchrotron Light Source (NSLS) vid Brookhaven National Laboratory, och Oak Ridge National Laboratory (ORNL) – kan hjälpa till att minska spänningen som krävs för att byta elektroniska signaler, och därmed den överdrivna energin de kräver. Deras forskning publiceras i oktobernumret av Naturens nanoteknik .

"Detta projekt är att utveckla filmer som gör att vi kan minska spänningen som behövs för att få omkopplaren att vända i en nanotransistor, sa Jean Jordan-Sweet, en IBM-forskare vid NSLS. "Tonvikten ligger på att försöka införliva ferroelektrik i industristandarden kiselbaserade enheter för att öka prestandan samtidigt som behovet av mer spänning minskar."

Ett team av forskare, ledd av IBM-forskaren Catherine Dubourdieu från det franska nationella centret för vetenskaplig forskning, kunde byta den ferroelektriska polariseringen av dessa filmer utan användning av en ledande bottenelektrod, vilket skulle kunna möjliggöra mindre enheter som maximerar effekten utan överskottsvärme.

Att göra detta, UTA-forskarna odlade en bariumtitanatfilm på en kiselbas med hjälp av molekylär strålepitaxi, en metod som avsätter ett kristallint lager i register med ett enkristallsubstrat. Tack vare piezoresponskraftmikroskopi utförd på ORNL, teamet fastställde att det resulterande materialet var ferroelektriskt, vilket innebär att den har en elektrisk polarisation som kan vändas när ett externt elektriskt fält appliceras. Detta är användbart inte bara för logiska enheter med låg effekt utan också för icke-flyktiga minnen.

"Dessa ferroelektriska filmer kan växla, och när de väl har bytts är de stabila vid rumstemperatur; dessutom kan du göra dessa saker i en riktigt liten nanoskala och det finns många sätt du kan införliva dem i mikroelektronikenheter, " sa Jordan-Sweet.

Att odla filmen ovanpå kisel kräver finess. De kristallina strukturerna av bariumtitanat och kisel stämmer inte exakt överens, så det är lite som att försöka få tennisbollar att passa i en äggkartong. De är för stora för depressionerna, så ett buffertlager måste läggas till för att säkerställa att en bra registrering görs mellan de två ämnena. I detta fall, strontium-titanat användes eftersom dess kristallenhetsstorlek är mellan den för kisel och bariumtitanat, vilket möjliggör en gradvis omjustering av kristallstrukturen i filmen.

När filmerna väl odlades, Dubourdieu och Jordan-Sweet använde X20A-strållinjen vid NSLS för att utföra röntgendiffraktionstester för att karakterisera tetragonaliteten – eller "utanför kvadratisk" av kristallstrukturen – i filmen. De fann att buffertskiktet inducerade den korrekta strukturen i bariumtitanatet så att de tetragonala kristallenheterna, och därmed den elektriska polariseringen, pekade i rätt riktning för att göra bra transistorer.

Med hjälp av piezoresponskraftmikroskopi vid Oak Ridge National Laboratory, teamet fann att de kunde producera ferroelektrisk omkoppling inom filmer från 8 till 40 nanometer tjocka, även om en tjocklek på bara 10 nanometer var bäst för att säkerställa att polariteten över filmen var jämnt fördelad.