Nieuwe ferro-elektronica voor efficiëntere micro-elektronica

Wanneer we via draadloze netwerken met anderen communiceren, wordt informatie naar datacenters gestuurd waar deze wordt verzameld, opgeslagen, verwerkt en gedistribueerd. Aangezien het computerenergiegebruik blijft groeien, ligt het op schema om in potentie de belangrijkste bron van energieverbruik in deze eeuw te worden. Geheugen en logica zijn fysiek gescheiden in de meeste moderne computers, en daarom is de interactie tussen deze twee componenten zeer energie-intensief bij het openen, manipuleren en herstellen van gegevens.

Een team van onderzoekers van Carnegie Mellon University en Penn State University onderzoekt materialen die mogelijk kunnen leiden tot de integratie van het geheugen direct bovenop de transistor. Door de architectuur van de microschakeling te veranderen, kunnen processors veel efficiënter zijn en minder energie verbruiken. Naast het creëren van nabijheid tussen deze componenten, hebben de bestudeerde niet-vluchtige materialen het potentieel om de noodzaak te elimineren dat computergeheugensystemen regelmatig moeten worden vernieuwd.

Hun recente werk gepubliceerd in Wetenschap onderzoekt materialen die ferro-elektrisch zijn, of een spontane elektrische polarisatie hebben die kan worden omgekeerd door de toepassing van een extern elektrisch veld. Onlangs ontdekte wurtziet-ferro-elektrische materialen, die voornamelijk zijn samengesteld uit materialen die al zijn verwerkt in halfgeleidertechnologie voor geïntegreerde schakelingen, maken de integratie mogelijk van nieuwe energiezuinige apparaten voor toepassingen zoals niet-vluchtig geheugen, elektro-optica en energieoogst.

Een van de grootste uitdagingen van wurtziet-ferro-elektriciteit is dat de kloof tussen de elektrische velden die nodig zijn voor de werking en het doorslagveld erg klein is.

“Er zijn aanzienlijke inspanningen geleverd om deze marge te vergroten, wat een grondig begrip vereist van het effect van de compositie, structuur en architectuur van films op het vermogen om polarisatie te schakelen bij praktische elektrische velden”, zegt Carnegie Mellon postdoctoraal onderzoeker Sebastian Calderone, die is de hoofdauteur van het artikel.

De twee instellingen werden samengebracht om samen te werken aan deze studie via het Center for 3D Ferroelectric Microelectronics (3DFeM), een Energy Frontier Research Center (EFRC) -programma onder leiding van Penn State University.

De afdeling Materials Science and Engineering van Carnegie Mellon, geleid door professor Elizabeth Dickey, werd voor dit project aangetrokken vanwege zijn achtergrond in het bestuderen van de rol van de structuur van materialen in de functionele eigenschappen op zeer kleine schaal door middel van elektronenmicroscopie.

“Professor Dickey’s groep brengt een bijzondere actuele expertise met zich mee in het meten van de structuur van deze materialen op zeer kleine lengteschalen, evenals een focus op de specifieke elektronische materialen die van belang zijn voor dit project”, zegt Jon-Paul Maria, professor Materiaalkunde en Techniek aan de Penn State University.

Samen ontwierp het onderzoeksteam een ​​experiment waarbij de sterke expertise van beide instellingen op het gebied van de synthese, karakterisering en theoretische modellering van wurtziet-ferro-elektriciteit werd gecombineerd.

Door real-time polarisatieschakeling te observeren en te kwantificeren met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM), resulteerde de studie in een fundamenteel begrip van hoe dergelijke nieuwe ferro-elektrische materialen schakelen op atomair niveau. Naarmate het onderzoek op dit gebied vordert, is het doel om de materialen te schalen tot een grootte waarin ze kunnen worden gebruikt in moderne micro-elektronica.