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非硅材料制成的新型超薄电容器或可实现更节能的微芯片

2022-06-29
来源:财经涂鸦

5月26日,劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)和加州大学伯克利分校的一组研究人员在Nature Materials杂志上发表了题为“在BaTiO 3中实现超低电压开关”(Enabling ultra-low-voltage switching in BaTiO3)的最新研究,展示了一种新型的超薄电容器,该技术可以用来开发更加节能的微芯片

为现代设备提供动力的硅基计算机芯片需要大量的能量才能运行。该研究指出,尽管计算效率不断提高,但预计到2030年,信息技术将消耗约25%的天然能源。

研究团队认为,要想降低这种能耗需求,关键在于开发可以在更低电压下工作的微电子器件。有一些应用于存储器和逻辑器件的非硅材料,被认为拥有有吸引力的特性,或可用于替代目前的硅基器件。但这些非硅材料的常见体积形式,与启动所需的电压量与现代电子产品不兼容。如何开发既能在低工作电压下表现良好,又能封装到微电子器件中的薄膜替代品,仍然是一个挑战。

因此,研究团队合成了一种已被广泛了解的材料BaTiO3(钛酸钡)的薄膜版本以解决这一问题。

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BaTiO3在80多年前首次被发现,可用于电子电路、超声波发生器、换能器甚至声纳的各种电容器。这种材料的晶体对小电场反应迅速,即使去除电场,构成材料的带电原子的方向也会以可逆但永久的方式发生变化。这提供了一种在逻辑和存储设备中所需的“0”和“1”状态之间切换的方法。但此前,仍然需要大于1000毫伏(mV)的电压来做到这一点。

为了利用这些特性在微芯片中使用,研究团队开发了一种方法,来制造仅25纳米薄的BaTiO3 薄膜。

该研究的领头人加州大学伯克利分校材料科学与工程教授Lane Martin表示,“我们在大半个世纪前就知道BaTiO3了,40多年前我们就知道如何用这种材料制作薄膜。但到目前为止,还没有人能制作出一种与批量生产的结构或性能相近的薄膜。”

主要的障碍在于,过去的合成尝试中薄膜含有较高浓度的“缺陷”(即结构与理想材料不同的点)。浓度过高,会对薄膜的性能产生负面影响。

研究团队找到了一种可以限制这些缺陷的薄膜生长方法。他们使用了一种称为脉冲激光沉积(pulsed-laser deposition)的工艺。向BaTiO3陶瓷靶上发射一束强大的紫外线激光,使材料转变为等离子体,然后将靶材中的原子传输到表面上以生长薄膜。通过这个工具,研究人员可以在薄膜生长过程中调节许多旋钮(knobs),观察哪些对控制属性最重要。

Martin表示,他们的方法可以精确控制沉积膜的结构、化学成分、厚度以及与金属电极的接口。在伯克利实验室分子铸造中心的国家电子显微镜中心,通过将每个沉积的样本切成两半,并使用工具逐个原子观察其结构,研究人员找到了一个极薄版本,精确模拟了原有结构。

最后,通过在两个金属层之间放置一层这样的BaTiO3薄膜,研究团队制作出了微型电容器,这种电子元件可以在电路中快速存储和释放能量。施加100mV或更低的电压并测量产生的电流,结果显示薄膜的极化转换(polarization switch)在20亿分之一秒内完成——与当今计算机访问内存或执行计算所需的速度相比,具有竞争力。

目前常见的技术通常需要在500到600mV环境下工作,而薄膜版本只需要50到100mV 或更低的环境。总之,这些测量结果证明了电压和极化稳健性(polarization robustness)的成功优化,这两项在薄材料中往往是一组需要权衡(trade-off)的指标。

接下来,该团队计划将材料缩小到更薄,使其与计算机中的真实设备兼容,并研究它在这些微小尺寸下的行为方式。同时,他们将与英特尔等公司者合作,测试第一代电子设备的可行性。




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