에너지를 활성화할 수 있는 새로운 초박형 커패시터

현대 장치에 전력을 공급하는 실리콘 기반 컴퓨터 칩 작동하려면 막대한 양의 에너지가 필요합니다. 컴퓨팅 효율성이 지속적으로 향상됨에도 불구하고 정보 기술은 2030년까지 생산되는 모든 1차 에너지의 약 25%를 소비할 것으로 예상됩니다. 마이크로 전자공학 및 재료 과학 커뮤니티의 연구원들은 컴퓨팅 성능에 대한 전 세계적 수요를 지속 가능하게 관리할 수 있는 방법을 찾고 있습니다.

이러한 디지털 수요를 줄이기 위한 성배는 훨씬 더 낮은 전압에서 작동하는 마이크로 전자공학을 개발하는 것이며, 이는 더 적은 에너지를 필요로 하며 오늘날의 최첨단 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체)를 뛰어넘기 위한 노력의 주요 목표입니다. 장치.

메모리 및 논리 장치에 대한 매력적인 특성을 지닌 비실리콘 재료가 존재합니다. 그러나 일반적인 벌크 형태를 조작하려면 여전히 큰 전압이 필요하므로 현대 전자 장치와 호환되지 않습니다. 낮은 작동 전압에서 우수한 성능을 발휘할 뿐만 아니라 마이크로 전자 장치에 탑재할 수 있는 대체 박막을 설계하는 것은 여전히 ​​어려운 과제입니다.

이제 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)와 UC Berkeley의 연구진은 차세대 장치에 꼭 필요한 특성을 지닌 잘 알려진 재료의 박층 버전을 합성하여 에너지 효율적인 경로를 식별했습니다. .

80여년 전에 처음 발견된 티탄산바륨(BaTiO3)은 전자 회로, 초음파 발생기, 변환기, 심지어 소나용 다양한 커패시터에 사용되는 것으로 밝혀졌습니다.

재료의 결정은 작은 전기장에 빠르게 반응하여, 적용된 필드가 제거되더라도 가역적이지만 영구적인 방식으로 재료를 구성하는 하전 원자의 방향을 뒤집습니다. 이는 논리 및 메모리 저장 장치에서 속담인 "0"과 "1" 상태 사이를 전환하는 방법을 제공하지만 이를 위해서는 여전히 1,000mV(밀리볼트)보다 큰 전압이 필요합니다.

마이크로칩에 사용하기 위해 이러한 특성을 활용하기 위해 Berkeley Lab이 이끄는 팀은 두께가 25나노미터에 불과한 BaTiO3 필름(인간 머리카락 굵기의 1000분의 1 미만)을 생성하는 경로를 개발했습니다. 전하를 띤 원자의 방향 또는 극성이 다음과 같이 전환됩니다. 대량 버전처럼 빠르고 효율적으로.

"우리는 거의 한 세기 동안 BaTiO3에 대해 알고 있었고 이 물질로 얇은 필름을 만드는 방법을 40년 넘게 알고 있었습니다. 그러나 지금까지 누구도 구조나 성능에 근접할 수 있는 필름을 만들 수 없었습니다. 버클리 연구소 재료과학부(MSD) 과학자이자 이번 연구를 이끈 UC 버클리 재료과학 및 공학 교수 레인 마틴(Lane Martin)은 이렇게 말했다.

버클리 연구소의"무어의 법칙을 넘어서" 이니셔티브는 메모리 요소에서 초저전력 로직으로의 경로를 식별하는 것을 목표로 합니다. 버클리 연구소의 선임 과학자이자 UC 버클리의 물리학 및 재료 과학 및 공학 교수인 공동 저자인 Ramamoorthy Ramesh는 "저전압 작동이 필요합니다. 이것이 에너지를 확장하는 방법이기 때문입니다."라고 말했습니다. "이 연구는 처음으로 관련 플랫폼에서 100mV보다 낮은 전압을 갖는 모델 재료 BaTiO3의 스위칭 필드를 시연했습니다."

역사적으로 합성 시도로 인해 벌크 버전에 비해 "결함"(재료의 이상적인 버전과 구조가 다른 지점) 농도가 더 높은 필름이 만들어졌습니다. 이러한 높은 농도의 결함은 박막의 성능에 부정적인 영향을 미칩니다. Martin과 동료들은 이러한 결함을 제한하는 필름 성장 방법을 개발했습니다. 연구 결과는 Nature Materials 저널에 게재되었습니다.

결함이 적은 최고의 BaTiO3 박막을 생산하는 데 필요한 것이 무엇인지 이해하기 위해 연구진은 펄스 레이저 증착이라는 공정을 선택했습니다. 강력한 자외선 레이저 빔을 BaTiO3 세라믹 타겟에 발사하면 물질이 플라즈마로 변환되고, 플라즈마는 타겟의 원자를 표면으로 전달하여 필름을 성장시킵니다. "이것은 필름의 성장에 있어 많은 조절 장치를 조정할 수 있고 속성을 제어하는 ​​데 가장 중요한 것이 무엇인지 확인할 수 있는 다용도 도구입니다."라고 Martin은 말했습니다.