Uusi tie energiatehokkaiden tietokonesirujen rakentamiseen

Elektronisten laitteiden – aina aktiivisuusrannekkeista ja kannettavista tietokoneista älypuhelimiin – kasvava suosio lisää energiatehokkaampien laskennan tehosirujen kysyntää.

Tutkijat ovat löytäneet keinon muuttaa erään yleisen puolijohdemateriaalin elektronisia ominaisuuksia, mikä voi luoda pohjan nopeammalle ja vähemmän virtaa kuluttavalle informaation tallennukselle ja käsittelylle.

UC Berkeleyn johtama tutkijaryhmä havaitsi, että he voivat muuttaa titaanidioksidia (TiO₂) ferroelektriseksi materiaaliksi ohentamalla sen paksuuden alle 3 nanometriin. Tutkijoiden mukaan nämä löydökset voisivat avata polun kohti erittäin skaalautuvia ja energiatehokkaita elektronisia laitteita.

Ferrosähköisillä materiaaleilla, joilla on kyky vaihtaa sähköistä polarisaatiota, on pitkä historia puolijohdeteollisuudessa. Nykyään monet tutkijat uskovat, että ne voivat olla avain seuraavan sukupolven energiatehokkaan nanoelektroniikan, mukaan lukien haihtumattoman muistin, logiikkapiirien ja uusien laskentateknologioiden, kehittämiseen.

Mutta erittäin ohuen materiaalin vankan ferroelektrisen käyttäytymisen saavuttaminen on ollut merkittävä este. Toinen haaste on ollut sellaisen ferrosähköisen materiaalin löytäminen, joka integroituu hyvin olemassa oleviin piipohjaisiin teknologioihin.

Näiden haasteiden ratkaisemiseksi tutkijat tarkastelivat lähemmin TiO₂:ta. Sitä käytetään laajalti nykyään dielektrisenä aineena, mikä tarkoittaa, että se varastoi sähkövarausta, mutta ei osoita sähköistä polarisaatiota. Yksinkertaisesti tekemällä TiO₂:sta ultraohuen tutkijat havaitsivat, että he pystyivät muuttamaan sen elektronisia ominaisuuksia.

Professori Sayeef Salahuddinin mukaan nämä löydökset osoittavat, kuinka atomitason paksuiset tekniset materiaalit voivat avata odottamattomia fysikaalisia ilmiöitä ja tieteellistä näkemystä.

”Yllätyimme melkoisesti, kun havaitsimme, että TiO₂-kalvojen paksuuden laskiessa alle 3 nm:iin materiaalista tuli ferroelektrinen. Tässä faasissa se osoittaa spontaania sähköistä polarisaatiota, joka voidaan kytkeä sähkökentän avulla”, sanoo Salahuddin. ”Vielä tärkeämpää on, että tämä uusi ferroelektrinen käyttäytyminen pysyy vakaana jopa noin 1 nm:n paksuisissa kalvoissa.”

Salahuddinin mukaan heidän löydöksensä viittaavat myös siihen, että muut tämän luokan yleiset dielektriset materiaalit, jotka tunnetaan yleisesti binäärioksideina tai fluoriittirakenneoksideina, saattavat kehittää uusia elektronisia käyttäytymismalleja atomitasolla.

Jatko-opiskelija Koushik Dasin mukaan TiO₂-kalvon paksuuden pienentäminen muuttaa sen kiderakennetta ja luo "sisäänrakennetun sähköisen polarisaation", jota voidaan kääntää sähkökentän avulla.

Lisäksi tutkimus osoitti, että nämä ultraohuet TiO₂-kalvot säilyttävät ferrosähköiset ominaisuutensa, kun ne kerrostetaan eri alustoille.

Aiheesta aiemmin

Kvanttipistepohjainen metapinta

Puolijohdemateriaalista paljastuu "yllättävä" piilotoiminta