Materiaal ‘beginnende ferro-elektriciteit’ zou snel kunnen beginnen met snelle, low-power elektronica

Wetenschappers van Penn State hebben een unieke eigenschap gebruikt die beginnende ferro -elektriciteit worden genoemd om een ​​nieuw type computergeheugen te creëren dat een revolutie teweeg kan brengen in hoe elektronische apparaten werken, zoals het gebruik van veel minder energie en werken in extreme omgevingen zoals de ruimte.

Ze publiceerden hun werkdie zich richt op multifunctionele tweedimensionale veldeffecttransistors (FET’s), in Natuurcommunicatie. FET’s zijn geavanceerde elektronische apparaten die ultradunne lagen materialen gebruiken om elektrische signalen te regelen, die meerdere functies bieden, zoals schakelen, detectie of geheugen in een compacte vorm.

Ze zijn ferro-elektrisch-achtig, wat betekent dat de richting van hun elektrische geleiding kan worden omgekeerd wanneer een extern elektrisch veld op het systeem wordt toegepast. FET’s zijn essentieel bij het computergebruik, omdat de ferro-elektrische eigenschap hen in staat stelt om signalen te verplaatsen.

Traditionele computersystemen, met name kunstmatige intelligentie (AI) die beeldherkenning afhandelen, verbruiken aanzienlijke energie. De lage vermogensvereisten van de ferro -elektrische transistoren vormen een duurzaam alternatief.

“AI-versnellers zijn notoir energiehongerig”, zegt Harikrishnan Ravichandran, een doctoraatsstudent in engineering science and mechanica en co-auteur van de studie. “Onze apparaten schakelen snel over en consumeren veel minder energie, waarbij de weg wordt vrijgemaakt voor snellere, groenere computing -technologieën.”

Bangrijke ferro -elektriciteit, een eerder over het hoofd gezien eigendom van FET’s, is misschien te bedanken voor de snellere, duurzamere apparaten. Bangrijke ferro -elektriciteit verwijst naar materialen die tekenen vertonen van tijdelijke, verspreide polarisatie, wat betekent dat onderdelen ervan lading kunnen schakelen zoals kleine dipolen – tegenstander van magnetische polen op een kleine afstand uit elkaar – maar het vestigt zich niet in een stabiele toestand onder normale omstandigheden.

Zie het als een materiaal dat het potentieel heeft om ferro -elektrisch te worden, maar het heeft een beetje push nodig. Bangrijke ferro -elektriciteit betekent dat het materiaal op het punt staat ferro -elektrisch te worden – het kan een elektrische lading vasthouden, maar heeft bepaalde voorwaarden nodig om een ​​elektrische lading te bereiken.

“Bangrijke ferro -elektriciteit betekent dat er geen stabiele ferro -elektrische volgorde is bij kamertemperatuur,” zei Dipanjan Sen, promovendus in engineeringwetenschappen en monteurs en hoofdauteur in de studie. “In plaats daarvan zijn er kleine, verspreide clusters van polaire domeinen. Het is een flexibelere structuur in vergelijking met traditionele ferro -elektrische materialen.”

Hoewel deze eigenschap vaak als een beperking wordt beschouwd, ontdekte het team dat de beginnende ferro -elektriciteit minder beginnend en meer traditioneel werd bij koudere temperaturen. Volgens Ravichandran vertoonden de apparaten uniek gedrag over temperatuurbereiken, wat een flexibiliteit suggereert die mogelijke nieuwe toepassingen mogelijk maakt.

“Het belangrijkste doel van het project was om te onderzoeken of beginnende ferro -elektriciteit, meestal gezien als een nadeel omdat het leidt tot kort geheugenbehoud, eigenlijk nuttig kan zijn” bij Penn State.

“In cryogene omstandigheden vertoonde dit materiaal traditioneel ferro-elektrisch-achtig gedrag dat geschikt is voor geheugentoepassingen. Maar bij kamertemperatuur gedroeg deze eigenschap zich anders. Het had deze ontspanning.”

Relaxorgedrag verwijst naar een meer ongeordende polarisatierespons op korte afstand. Dit type gedrag is minder voorspelbaar en vloeibaarder, wat contrasteert met de stabiele, langeafstandsvolgorde die wordt gezien in traditionele ferro-elektriciteit. Dit betekent dat de ferro -elektrische eigenschappen van het materiaal zwakker of minder stabiel zijn bij kamertemperatuur.

In plaats van een nadeel te zijn, zeiden de onderzoekers dat het potentieel voor gebruik in neuromorf computergebruik aantoonde, die tot doel heeft te imiteren hoe het menselijk brein informatie verwerkt met neuronen en veel minder energie gebruikt dan traditionele computers. Net als onze hersenen bespaart het energie door alleen kracht te gebruiken wanneer dat nodig is, zoals een lichtschakelaar in- en uitschakelen, in plaats van de hele tijd aan te blijven zoals traditionele computers.

“Deze apparaten fungeerden als neuronen, die biologisch neuraal gedrag nabootsen,” zei Mayukh Das, promovendus in engineeringwetenschappen en mechanica en co-auteur studeren. “Om dit te testen, hebben we een classificatietaak uitgevoerd met behulp van een raster van drie-bij-drie pixelbeelden die in drie kunstmatige neuronen zijn gevoerd. De apparaten konden elk beeld in verschillende categorieën classificeren.

“Deze leermethode kan uiteindelijk worden gebruikt voor beeldidentificatie en classificatie of patroonherkenning. Belangrijk is dat het bij kamertemperatuur werkt, waardoor de energiekosten worden verlaagd. Deze apparaten werken op dezelfde manier als het zenuwstelsel, werken als neuronen en het creëren van een goedkoop, efficiënt computergebruik systeem dat veel minder energie gebruikt. “

Medewerkers aan de Universiteit van Minnesota ontwikkelden de FET’s door een laag atomen op een substraat af te zetten om een ​​dunne film te vormen. Deze films, gemaakt van strontium-titanaat, werden vervolgens gecombineerd met molybdeendisulfide, een tweedimensionaal materiaal.

Strontium-titanaat is meestal niet-ferro-elektrisch, wat betekent dat het geen permeant elektrisch veld heeft. Vrijstaande nanomembranen van strontium-titanaat vertonen echter polaire orde, zeiden de onderzoekers, waardoor het materiaal ferro-elektrisch gedrag kan vertonen, vooral bij zeer lage temperaturen.

Strontium -titanaat dunne films, samen met hun beginnende ferro -elektriciteit, zijn ook een perovskietmateriaal. Perovskites, materialen met een specifiek type kristalstructuur, worden gewaardeerd voor hun uitzonderlijke elektronische eigenschappen.

“We waren verrast om te zien dat deze bekende perovskietmaterialen exotische ferro-elektrische eigenschappen op apparaatniveau konden vertonen,” zei Sen. “Het was niet iets dat we hadden verwacht, maar toen we eenmaal begonnen met het fabriceren van de apparaten, zagen we gedrag dat geavanceerde elektronica echt opnieuw kon definiëren.”

De onderzoekers merkten op dat toekomstig onderzoek zal omvatten het aanpakken van huidige uitdagingen zoals schaalbaarheid en commerciële levensvatbaarheid terwijl andere potentiële materialen worden verkend.

“Op dit moment is dit in het onderzoeks- en ontwikkelingsfase,” zei Sen. “Het perfectioneren van deze materialen en het integreren in alledaagse apparaten zoals smartphones of laptops zullen tijd kosten, dus er is zoveel meer te verkennen. Bovendien onderzoeken we andere materialen, zoals bariumtitanaat, om hun potentieel te ontdekken. De mogelijkheden voor groei zijn Immens, zowel in materialen als apparaattoepassingen. “