Veijo Hänninen

Tieteilijät tutkivat tulevaisuuden elektroniikan perusteita

Mikrosirujen kehityksen ansiosta nykypäivän älypuhelimet ovat niin tehokkaita, että niitä olisi pidetty supertietokoneina 1990-luvun alussa. Mutta tekoälyn ja esineiden internetin lisääntyvä yleisyys vaatii uuden sukupolven mikrosiruja, jotka eivät ainoastaan ylitä aiempia miniatyrisoinnin ja suorituskyvyn ennätyksiä mutta ovat myös energiatehokkaampia kuin nykyiset tekniikat.

Transistori uusiksi

Osana tätä työtä Berkeley Labin tutkijat työskentelevät mullistaakseen transistorin, jotta saavutettaisiin ylivertainen suorituskyky ja energiatehokkuus.

Viimeaikainen työ on osoittanut lupauksen uusista transistorimateriaaleista, jotka hyödyntävät käyttävät epätavallista ominaisuutta eli negatiivista kapasitanssia, mahdollistamaan tehokkaampia muisti- ja logiikkarakenteita.

Kun materiaalilla on negatiivinen kapasitanssi, se voi varastoida suuremman määrän sähkövarausta pienemmillä jännitteillä, mikä on päinvastoin kuin tavanomaisissa kapasitiivisissa materiaaleissa.

Nyt monitieteinen tutkijaryhmä on kehittänyt atomistisen käsityksen negatiivisen kapasitanssin alkuperästä, minkä ansiosta he voivat parantaa ja mukauttaa tätä ilmiötä tiettyihin piirisovelluksiin.

Edistyksen teki mahdolliseksi FerroX, avoimen lähdekoodin 3D-simulaatiokehys, jonka tiimi räätälöi negatiivisen kapasitanssin tutkimiseen.

Työ edustaa merkittävää virstanpylvästä monivuotisessa hankkeessa "Co-Design of Ultra-Low-Voltage Beyond CMOS Microelectronics", joka käynnistettiin vuonna 2021 suunnittelemaan uusia mikrosiruja, jotka voisivat toimia paremmin ja vaatia vähemmän energiaa kuin perinteiset piisirut.

”Uusien materiaalien tekemisessä tapahtuu paljon yritystä ja erehdystä. Se on kuin uuden reseptin tekeminen. Tutkijoiden on yleensä työskenneltävä päiviä ja öitä laboratoriossa muuttaakseen tätä reseptiä. Mutta mallinnustyökalumme FerroX:n avulla voi henkilökohtaista tietokonetta tiettyjen parametrien kohdistamiseen, jotka voivat vaikuttaa negatiivisen kapasitanssivaikutuksen suorituskykyyn", sanoo tutkija Zhi (Jackie) Yao.

Negatiivinen kapasitanssi

Vuonna 2008 UC Berkeleyn professori Sayeef Salahuddin ehdotti ensimmäisen kerran negatiivisen kapasitanssin käsitettä demonstroidakseen uutta lähestymistapaa energiatehokkaiden tietokoneiden suunnitteluun.

Negatiivinen kapasitanssi esiintyy tyypillisesti materiaaleissa, joilla on ferrosähköisiä ominaisuuksia. Ferrosähköiset materiaalit ovat lupaavia energiatehokkaina tietokonemuisteina, koska niiden sisäänrakennettua sähköistä polarisaatiota voidaan käyttää esimerkiksi datan tallentamiseen, jota voidaan kirjoittaa ja poistaa pienitehoisen sähkökentän avulla.

Salahuddinin uraauurtavaa ehdotusta seuraavien vuosien aikana tutkijat ovat oppineet, että ferrosähköisen hafniumoksidin ja zirkoniumoksidin (HfO2-ZrO2) ohutkalvoissa negatiivinen kapasitanssivaikutus ilmenee, kun kalvot koostuvat faasien seoksesta.

Tämä tarkoittaa, että kalvon pienillä alueilla tai "jyväsillä" on hieman erilaiset atomien tai "faasien" järjestelyt. Näiden faasirakeiden koko on pieni – vain muutaman nanometrin halkaisijaltaan – mutta eri faaseilla on selkeät elektroniset ominaisuudet, jotka voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja aiheuttaa makroskooppisia ilmiöitä, kuten negatiivista kapasitanssia.

Salahuddin-ryhmä on jo hyödyntänyt tätä ilmiötä tuottamaan ennätysmäisiä mikrokondensaattoreita, mutta negatiivisen kapasitanssin täyden potentiaalin vapauttamiseksi tutkijat tarvitsivat syvempää ymmärrystä sen atomistisesta alkuperästä.

Negatiivinen kapasitanssi atomeista alkaen

Tätä varten Zhi Yaon ja Prabhat Kumarin johtama monialainen tiimi kehitti FerroX:n. Avoimen lähdekoodin kehys antoi heille mahdollisuuden kehittää 3D-faasikentän simulaatioita ferrosähköisestä ohuesta kalvosta, jossa he voivat vaihdella faasikoostumusta mielensä mukaan ja tutkia vaikutuksia kalvon elektronisiin ominaisuuksiin.

"Tavoitteenamme oli ymmärtää näiden kalvojen negatiivisen kapasitanssin alkuperä, jota ei ymmärretä hyvin", Kumar sanoi. "Simulaatiomme ovat ensimmäiset, jotka auttavat tutkijoita räätälöimään materiaalin ominaisuuksia laboratoriossa havaitun negatiivisen kapasitanssin parantamiseksi."

Tämän seurauksena Berkeley Lab -tutkijat havaitsivat, että negatiivista kapasitanssivaikutusta voidaan tehostaa optimoimalla domeenirakennetta – pienentäen ferrosähköisten rakeiden kokoa ja järjestämällä niille tietty ferrosähköisen polarisaation suunta.

"Tämä lähestymistapa negatiivisen kapasitanssin parantamiseen oli tuntematon ennen tutkimustamme, koska aikaisemmista malleista puuttuivat skaalautuvuus tutkia helposti suunnitteluavaruutta ja fysiikan mukauttaminen", Yao sanoo.

Vaikka FerroX-mallit tässä tutkimuksessa simuloivat negatiivisen kapasitanssin alkuperää sen kehittyessä transistorin portilla, Berkeley Lab -tiimi aikoo käyttää avoimen lähdekoodin kehystä simuloidakseen koko transistorin tulevissa tutkimuksissa.

"Olemme vuosien varrella edistyneet merkittävästi sekä negatiivisen kapasitanssin fysiikassa että tämän kyseisen fysiikan integroinnissa todellisiin mikroelektroniikan rakenteisiin", Salahuddin sanoi.

"FerroX:n avulla voimme nyt mallintaa näitä laitteita atomeista alkaen, ja sen avulla voimme suunnitella mikroelektroniikan rakenteita, joilla on optimaalinen negatiivinen kapasitanssi. Se ei olisi ollut mahdollista ilman tämän tietojenkäsittelytieteen ja materiaalitieteen yhteisen tutkijaryhmän suunnittelun vahvuutta.

Energian jakautuminen atomisissa puolijohdeliitoksissa

Lämmön muodostuminen elektronisissa ja optisissa rakenteissa käytön aikana on kriittinen osa niiden suorituskykyä varsinkin laitteiden pienentyessä.

SLAC National Accelerator Laboratoryn tutkijat ovat selvitelleet suoraan lämmön virtausta kahden atomisesti ohuen puolijohteen liitoksessa ultranopeilla aikaskaaloilla.

He havaitsivat, että kun lyhyitä valopulsseja käytettiin injektoimaan varauksenkuljettajia eli elektroneita yhteen kerroksista, molemmat kerrokset kuumenivat lähes samanaikaisesti. Tätä ei voitu selittää yksinkertaisesti atomivärähtelyjen kautta tapahtuvalla lämmönsiirrolla.

Sen sijaan ryhmän teoreettiset laskelmat osoittivat, että tämä havainto oli yhdenmukainen mekanismin kanssa, joka sisältää elektronien välisen siirron hybridisoidun tilan tai "siltatilan" kautta WSe2/WS2 -yksikerroksisten heterorakenteiden läpi.

Tulokset antavat uuden perustavanlaatuisen käsityksen siitä, kuinka varauksenkantajat vaikuttavat lämmöntuotantoon nanomittakaavan laitteissa.

Siten tutkijat paljastivat uuden mekanismin energian siirtoon rajapinnan yli. Elektronit ovat avainasemassa tässä siirrossa ja elektronien virtausta voidaan periaatteessa ohjata ulkoisten kenttien avulla. Se tarkoittaa, että mekanismi voisi mahdollistaa lämmön muodostumisen tarkan hallinnan atomimittakaavassa.

Tämä työ parantaa perusymmärrystämme energian hajauttamisesta ja saavutettu tietämys on ratkaisevan tärkeää energiatehokkaampien nanomittakaavaisten elektronisten laitteiden valmistamisessa.

Funktionalisoituja materiaaleja

Nykyään monet lupaavimmista uusista materiaaleista ovat "funktionalisoituja", mikä tarkoittaa, että ne suunnitellaan ja syntetisoidaan usein huolellisesti ja menetelmällisesti atomimittakaavassa.

Oak Ridge National Laboratoryssa joukko tutkijoita käytti neutroninsirontatekniikoita tutkiakseen suhteellisen uutta toiminnallista materiaalia, jota kutsutaan Weyl-puolimetalliksi.

Tässä kiteisessä materiaalissa on matalaenergisiä kvasihiukkasia, jotka ovat atomimittakaavan ominaisuuksia, joita käsitellään hiukkasina. Nämä Weyl-fermionit liikkuvat materiaalissa erittäin nopeasti ja voivat kuljettaa sähkövarausta huoneenlämpötilassa.

Tutkijat uskovat, että Weyl-puolimetallit, jos niitä käytetään tulevaisuuden elektroniikassa, voisivat mahdollistaa sähkön virtauksen tehokkaammin ja sitä myöten energiatehokkaampien tietokoneiden ja muiden elektronisten laitteiden käytön.

ORNL-tiimi tutki kobolttipohjaista magneettista Weyl-puolimetallia, jolla on erityinen kiderakenne - Kagome-hila - joka voi muuttua spontaanisti magneetiksi tietyissä olosuhteissa. Tällaisten ferromagneettisten materiaalien atomien spinit ovat tyypillisesti kohdistettu samaan suuntaan, mikä ominaisuus tunnetaan magneettisena symmetriana.

"Tutkijoiden mukaan paikallisen symmetrian rikkoutumisen löytyminen Weyl-puolimetallissa on ratkaisevan tärkeää tämän ja muiden toiminnallisten materiaalien magneettisten ja kvanttiominaisuuksien ymmärtämiseksi."

Tämä ja monet muut raportit neutroneilla tehdyistä rakennetutkimuksista ovat vahvistaneet, että paikallisella symmetrian rikkomisella on tärkeä rooli monien funktionaalisten materiaalien ominaisuuksien määrittelyssä, kuten energian varastointisovelluksissa ja magneettisissa järjestelmissä.”

Tutkijat odottavat, että näiden materiaalien tuleva tutkimus johtaa menetelmiin paikallisen magneettisen symmetrian hallitsemiseksi Weyl-puolimetalleissa materiaalin haluttujen fysikaalisten ominaisuuksien muuttamiseksi ja käytettäväksi suunnitelluissa magneettisissa laitteissa.