Un nouveau condensateur ultra-mince pourrait activer l'énergie

Les puces informatiques à base de silicium qui alimentent nos appareils modernes nécessitent de grandes quantités d'énergie pour fonctionner. Malgré une efficacité informatique en constante amélioration, les technologies de l'information devraient consommer environ 25 % de toute l'énergie primaire produite d'ici 2030. Les chercheurs des communautés de la microélectronique et des sciences des matériaux cherchent des moyens de gérer durablement le besoin mondial en puissance de calcul.

Le Saint Graal pour réduire cette demande numérique est de développer une microélectronique qui fonctionne à des tensions beaucoup plus basses, ce qui nécessiterait moins d'énergie et est un objectif principal des efforts visant à aller au-delà des dispositifs CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire) à la pointe de la technologie.

Il existe des matériaux non-silicium aux propriétés attrayantes pour les dispositifs de mémoire et de logique ; mais leur forme en vrac commune nécessite toujours de grandes tensions à manipuler, ce qui les rend incompatibles avec l'électronique moderne. Concevoir des alternatives à couches minces qui non seulement fonctionnent bien à de faibles tensions de fonctionnement, mais peuvent également être intégrées dans des dispositifs microélectroniques reste un défi.

Maintenant, une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'UC Berkeley a identifié une voie économe en énergie - en synthétisant une version en couche mince d'un matériau bien connu dont les propriétés sont exactement ce qui est nécessaire pour les appareils de nouvelle génération.

Découvert pour la première fois il y a plus de 80 ans, le titanate de baryum (BaTiO3) a été utilisé dans divers condensateurs pour circuits électroniques, générateurs d'ultrasons, transducteurs et même sonar.

Les cristaux du matériau réagissent rapidement à un petit champ électrique, inversant l'orientation des atomes chargés qui composent le matériau de manière réversible mais permanente même si le champ appliqué est supprimé. Cela fournit un moyen de basculer entre les états proverbiaux "0" et "1" dans les dispositifs de stockage logiques et de mémoire - mais nécessite toujours des tensions supérieures à 1 000 millivolts (mV) pour ce faire.

Cherchant à exploiter ces propriétés pour les utiliser dans les micropuces, l'équipe dirigée par le laboratoire de Berkeley a développé une voie pour créer des films de BaTiO3 de seulement 25 nanomètres d'épaisseur - moins d'un millième de la largeur d'un cheveu humain - dont l'orientation des atomes chargés, ou la polarisation, change aussi rapidement et efficacement que dans la version en vrac.

"Nous connaissons le BaTiO3 depuis près d'un siècle et nous savons comment fabriquer des couches minces de ce matériau depuis plus de 40 ans. Mais jusqu'à présent, personne ne pouvait créer un film qui pourrait se rapprocher de la structure ou des performances qui pourraient être atteintes en masse", a déclaré Lane Martin, chercheur à la Division des sciences des matériaux (MSD) du Berkeley Lab et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley, qui a dirigé les travaux.

Laboratoire de Berkeley"Au-delà de la loi de Moore" L'initiative vise à identifier les voies vers une logique ultrabasse consommation dans les éléments de mémoire. "Nous devons passer à un fonctionnement à basse tension, car c'est ce qui fait évoluer l'énergie", a déclaré le co-auteur Ramamoorthy Ramesh, chercheur principal au Berkeley Lab et professeur de physique et de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley. "Ce travail a démontré, pour la première fois, le champ de commutation du matériau modèle, BaTiO3 avec des tensions inférieures à 100 mV, sur une plate-forme pertinente."

Historiquement, les tentatives de synthèse ont abouti à des films contenant des concentrations plus élevées de «défauts» - des points où la structure diffère d'une version idéalisée du matériau - par rapport aux versions en vrac. Une telle concentration de défauts a un impact négatif sur les performances des couches minces. Martin et ses collègues ont développé une approche de croissance des films qui limite ces défauts. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Materials.

Pour comprendre ce qu'il faut pour produire les meilleurs films minces de BaTiO3 à faible défaut, les chercheurs se sont tournés vers un processus appelé dépôt par laser pulsé. Le tir d'un puissant faisceau de lumière laser ultraviolette sur une cible en céramique de BaTiO3 provoque la transformation du matériau en un plasma, qui transmet ensuite les atomes de la cible sur une surface pour faire croître le film. "C'est un outil polyvalent où nous pouvons modifier de nombreux boutons dans la croissance du film et voir lesquels sont les plus importants pour contrôler les propriétés", a déclaré Martin.

Martin et ses collègues ont montré que leur méthode pouvait permettre un contrôle précis de la structure, de la chimie, de l'épaisseur et des interfaces du film déposé avec les électrodes métalliques. En coupant en deux chaque échantillon déposé et en examinant sa structure atome par atome à l'aide d'outils du Centre national de microscopie électronique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, les chercheurs ont révélé une version qui imitait précisément une tranche extrêmement fine de la masse.

"C'est amusant de penser que nous pouvons prendre ces matériaux classiques sur lesquels nous pensions tout savoir, et les retourner avec de nouvelles approches pour les fabriquer et les caractériser", a déclaré Martin.

Enfin, en plaçant un film de BaTiO3 entre deux couches métalliques, Martin et son équipe ont créé de minuscules condensateurs - les composants électroniques qui stockent et libèrent rapidement de l'énergie dans un circuit. L'application de tensions de 100 mV ou moins et la mesure du courant qui en émerge ont montré que la polarisation du film commutait en deux milliardièmes de seconde et pouvait potentiellement être plus rapide - compétitive avec ce qu'il faut aux ordinateurs d'aujourd'hui pour accéder à la mémoire ou effectuer des calculs.

Le travail suit l'objectif plus large de créer des matériaux avec de petites tensions de commutation et d'examiner comment les interfaces avec les composants métalliques nécessaires aux dispositifs ont un impact sur ces matériaux. "Il s'agit d'une bonne première victoire dans notre quête d'électronique basse consommation qui va au-delà de ce qui est possible avec l'électronique à base de silicium aujourd'hui", a déclaré Martin.

"Contrairement à nos nouveaux appareils, les condensateurs utilisés dans les puces aujourd'hui ne conservent pas leurs données à moins que vous ne continuiez à appliquer une tension", a déclaré Martin. Et les technologies actuelles fonctionnent généralement à 500 à 600 mV, alors qu'une version à couche mince pourrait fonctionner à 50 à 100 mV ou moins. Ensemble, ces mesures démontrent une optimisation réussie de la robustesse de la tension et de la polarisation - qui tend à être un compromis, en particulier dans les matériaux minces.

Ensuite, l'équipe prévoit de réduire encore plus le matériau pour le rendre compatible avec de vrais appareils dans les ordinateurs et d'étudier comment il se comporte à ces dimensions minuscules. Dans le même temps, ils travailleront avec des collaborateurs d'entreprises telles qu'Intel Corp. pour tester la faisabilité des appareils électroniques de première génération. "Si vous pouviez rendre chaque opération logique d'un ordinateur un million de fois plus efficace, pensez à la quantité d'énergie que vous économisez. C'est pourquoi nous le faisons", a déclaré Martin.

Cette recherche a été soutenue par le Bureau des sciences du Département américain de l'énergie (DOE). La fonderie moléculaire est une installation utilisateur du DOE Office of Science au laboratoire de Berkeley.