Novo capacitor ultrafino pode ativar energia

Os chips de computador baseados em silício que alimentam nossos dispositivos modernos exigem grandes quantidades de energia para operar. Apesar da eficiência da computação cada vez melhor, a tecnologia da informação deverá consumir cerca de 25% de toda a energia primária produzida até 2030. Pesquisadores nas comunidades de microeletrônica e ciências dos materiais estão buscando maneiras de gerenciar de forma sustentável a necessidade global de poder de computação.

O santo graal para reduzir essa demanda digital é desenvolver microeletrônica que opere em voltagens muito mais baixas, o que exigiria menos energia e é um objetivo principal dos esforços para ir além do CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar) de hoje. dispositivos.

Existem materiais sem silício com propriedades atraentes para memória e dispositivos lógicos; mas sua forma em massa comum ainda requer grandes voltagens para manipular, tornando-os incompatíveis com a eletrônica moderna. Projetar alternativas de filme fino que não apenas funcionem bem em baixas tensões de operação, mas também possam ser empacotadas em dispositivos microeletrônicos continua sendo um desafio.

Agora, uma equipe de pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e da UC Berkeley identificou uma rota eficiente em termos de energia – sintetizando uma versão em camada fina de um material conhecido cujas propriedades são exatamente as necessárias para os dispositivos da próxima geração. .

Descoberto pela primeira vez há mais de 80 anos, o titanato de bário (BaTiO3) foi usado em vários capacitores para circuitos eletrônicos, geradores ultrassônicos, transdutores e até sonares.

Os cristais do material respondem rapidamente a um pequeno campo elétrico, invertendo a orientação dos átomos carregados que compõem o material de maneira reversível, mas permanente, mesmo que o campo aplicado seja removido. Isso fornece uma maneira de alternar entre os proverbiais estados "0" e "1" em dispositivos lógicos e de armazenamento de memória - mas ainda requer tensões maiores que 1.000 milivolts (mV) para fazer isso.

Buscando aproveitar essas propriedades para uso em microchips, a equipe liderada pelo Berkeley Lab desenvolveu um caminho para a criação de filmes de BaTiO3 com apenas 25 nanômetros de espessura - menos de um milésimo da espessura de um fio de cabelo humano - cuja orientação de átomos carregados, ou polarização, muda como rápida e eficientemente como na versão em massa.

"Conhecemos o BaTiO3 há quase um século e sabemos como fazer filmes finos desse material há mais de 40 anos. Mas, até agora, ninguém poderia fazer um filme que pudesse se aproximar da estrutura ou do desempenho isso poderia ser alcançado em massa", disse Lane Martin, cientista da faculdade na Divisão de Ciências de Materiais (MSD) do Berkeley Lab e professor de ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley, que liderou o trabalho.

Laboratório de Berkeley"Além da Lei de Moore" iniciativa visa identificar caminhos para a lógica de energia ultrabaixa em elementos de memória. “Precisamos chegar à operação de baixa tensão, já que é isso que dimensiona a energia”, disse o co-autor Ramamoorthy Ramesh, cientista sênior do Berkeley Lab e professor de física e ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley. "Este trabalho demonstrou, pela primeira vez, o campo de comutação do material modelo, BaTiO3 com tensões inferiores a 100 mV, em uma plataforma relevante."

Historicamente, as tentativas de síntese resultaram em filmes com maior concentração de "defeitos" – pontos em que a estrutura difere de uma versão idealizada do material – em relação às versões em massa. Uma concentração tão alta de defeitos afeta negativamente o desempenho de filmes finos. Martin e seus colegas desenvolveram uma abordagem para cultivar os filmes que limita esses defeitos. As descobertas foram publicadas na revista Nature Materials.

Para entender o que é necessário para produzir os melhores filmes finos de BaTiO3 com baixo defeito, os pesquisadores recorreram a um processo chamado deposição de laser pulsado. Disparar um poderoso feixe de luz laser ultravioleta em um alvo cerâmico de BaTiO3 faz com que o material se transforme em um plasma, que então transmite átomos do alvo para uma superfície para crescer o filme. "É uma ferramenta versátil onde podemos ajustar vários botões no crescimento do filme e ver quais são os mais importantes para controlar as propriedades", disse Martin.