Учёные Калифорнийского университета в Беркли и Аргоннской национальной лаборатории создали самый тонкий из когда-либо созданных сегнетоэлектрических материалов. Разработчики считают, что эта уникальная разработка открывает возможности для создания новых энергоэффективных устройств.
Изображение двумерного сегнетоэлектрического материала. Suraj Cheema, UC Berkeley/ANL
"В результате этой разработки удалось добиться снижения энергопотребления вычислительных систем за счет использования инновационных свойств материала в малых масштабах.", сообщает ANL.
Department of Energy (DOE) Argonne National Laboratory разработала технологию, которая позволяет справиться одновременно с двумя задачами, изготовив самый тонкий в мире сегнетоэлектрик (ферроэлектрик), а также продемонстрировав самую тонкую модель рабочей памяти на кремнии. University of California at Berkeley провел аналогичные эксперименты и поделился результатами в журнале Science.
Что происходит с сегнетоэлектриками?
По данным ANL, сегнетоэлектрические материалы открывают широкие возможности для снижения энергопотребления сверхмалых электронных компонентов, используемых в компьютерах и мобильных телефонах. Однако при толщине менее нескольких нанометров обычные ферроэлектрические материалы теряют свою внутреннюю поляризацию. Это означает, что они несовместимы с кремниевой технологией, используемой сегодня. Из-за этой проблемы сегнетоэлектрики исторически не могли быть интегрированы в микроэлектронику.
В 200 000 раз тоньше человеческого волоса
Исследователи наблюдали стабильные сегнетоэлектрические свойства в слое диоксида циркония толщиной в пол-нанометра. Это размер одного атомного структурного блока, который примерно в 200 000 раз тоньше человеческого волоса. Команда исследователей вырастила этот материал прямо на кремниевой подложке.
Инженеры обнаружили стабильные сегнетоэлектрические свойства у диоксида циркония (обычно ZrO2 не является сегнетоэлектриком) при условии, что толщина слоя из этого вещества не превышает двух нанометров.
Atoms and particles. Denis Pobytov/iStock
Кроме того, исследователям удалось многократно изменять поляризацию сверхтонкого материала с помощью небольшого напряжения. Таким образом, была продемонстрирована самая тонкая модель рабочей памяти, когда-либо созданная на кремнии. Разработчики считают, что такой материал открывает широкие перспективы в сфере энергоэффективной электроники, особенно учитывая, что обычный диоксид циркония уже давно используется в современных кремниевых чипах.
"Благодаря этому открытию нам удалось совершить настоящий прорыв на пути интеграции сегнетоэлектриков в масштабируемую микроэлектронику", — заявил Сурадж Чима, постдокторант Калифорнийского университета в Беркли, руководитель проекта
Сжатие 3D-материалов до толщины 2D
Помимо непосредственного технологического значения, эта работа имеет важные перспективы для создания новых двумерных материалов.
"Простое сжатие трехмерных материалов до их предельной толщины в 2D предлагает простой и в то же время эффективный путь к разгадке скрытых процессов в самых разных материалах", — сказал Чима. "Новая методика значительно расширяет границы дизайна материалов для электроники следующего поколения, включая материалы, уже совместимые с кремниевыми технологиями".
Проект был разработан под руководством Чимы и Сайефа Салахуддина из Калифорнийского университета в Беркли, а также соавторов Нирмаана Шанкера и Шанг-Лин Хсу.
Источники: Argonne National Laboratory, Journal Interesting Engineering, Wikipedia
1. (https://ru.wikipedia.org/wiki/Сегнетоэлектрик)
2. (https://interestingengineering.com/science/thinnest-ferroelectric-material-devices)
3. (https://www.anl.gov/article/thinnest-ferroelectric-material-ever-paves-the-way-for-new-energyefficient-devies)
