Een gigantische vermindering van de weerstand in dunne film vormt een belangrijke stap in de richting van de volgende generatie AI-elektronica

Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben een nieuw atomair gelaagd materiaal ontwikkeld dat bij oxidatie een weerstandsreductie van vijf ordes van grootte ervaart, meer dan honderd keer de reductie die wordt waargenomen bij vergelijkbare, niet-gelaagde materialen.

Door de structuur te analyseren ontdekte het team een ​​synergie tussen oxidatie en structurele modificatie die dramatische veranderingen in fysieke eigenschappen veroorzaakt. Het nieuwe materiaal belooft energiezuinigere apparaten van de volgende generatie, zoals memristors in AI-computing.

Het werk is gepubliceerd in het journaal Chemie van materialen.

Terwijl AI een revolutie teweegbrengt in de wetenschap, de industrie en de samenleving, vindt er een stille revolutie plaats in de ontwikkeling van materialen van de volgende generatie om de chips en apparaten te bouwen die nodig zijn om aan de vraag naar grotere rekenkracht te kunnen voldoen. Er is bijzondere aandacht voor materialen voor memristors, elektronische elementen die een “herinnering” aan eerdere toestanden coderen; Ze lijken op synapsen in de hersenen en kunnen mogelijk worden toegepast in nieuwe AI-chips.

Een van de belangrijkste vereisten is iets waarvan de weerstand naar believen drastisch kan worden gewijzigd. Een team onder leiding van universitair hoofddocent Daichi Oka van de Tokyo Metropolitan University heeft gewerkt met overgangsmetaaloxidematerialen, waarvan bekend is dat ze een vermindering van de weerstand ervaren wanneer ze worden geoxideerd.

Door gebruik te maken van een technologie die bekend staat als pulsed laser deposition (PLD), is het team erin geslaagd een hoogwaardige dunne gelaagde kristallijne film van Sr te creëren₃Cr₂O_7−δeen zogenaamde perovskiet-achtige structuur vanwege de gelijkenis met het gelijknamige mineraal.

Door de film eenvoudigweg te behandelen met warmte in de lucht, ontdekten ze dat de soortelijke weerstand met vijf ordes van grootte werd verminderd. Dit is ruim honderd keer zoveel als verwacht wordt voor een soortgelijk materiaal, SrCrO₃dat niet gelaagd is maar een driedimensionale structuur heeft.

Om te begrijpen waarom dit was gebeurd, verdiepte het team zich in de kristallijne structuur. Het materiaal bevatte een groot aantal zuurstofvacatures, plaatsen in de structuur die door zuurstofatomen zouden moeten worden ingenomen. Toen de film werd verwarmd en uitgegloeid, kwam er zuurstof in de film terecht, wat leidde tot een verandering in de structuur.

De aard van de chroomatomen, of hun ‘oxidatietoestand’, verandert tegelijkertijd ook. Interessant genoeg ontdekten ze dat de structurele veranderingen die ze zagen verschillend waren in de gelaagde film en zijn 3D-tegenhanger.

Ze konden concluderen dat de synergie tussen de veranderingen in de filmstructuur en de verschuiving in de chroomoxidatietoestand een scenario creëerde waarin geleidingselektronen veel gemakkelijker hun weg door het materiaal konden vinden.

Hoewel het werk zich op één materiaal concentreerde, is de combinatie van oxidatie en gelaagde atomaire structuur een nieuw ontwerpprincipe waarmee een hele reeks andere films kan worden gemaakt.

Het team hoopt dat hun methode nieuwe onderzoeksrichtingen en materialen zal inspireren voor memristors, maar ook voor energiezuinige, baanbrekende chips om toekomstige computerrevoluties mogelijk te maken.