Os chips de computador baseados em silício que alimentam nossos dispositivos modernos exigem grandes quantidades de energia para operar. Apesar da eficiência computacional cada vez melhor, a tecnologia da informação deverá consumir cerca de 25% de toda a energia primária produzida até 2030. Pesquisadores das comunidades de microeletrônica e ciências dos materiais estão buscando maneiras de gerenciar de forma sustentável a necessidade global de poder computacional.
O Santo Graal para reduzir essa demanda digital é desenvolver microeletrônica que opere em tensões muito mais baixas, o que exigiria menos energia e é o objetivo principal dos esforços para ir além do CMOS (semicondutor de óxido de metal complementar) de última geração atual. dispositivos.

Existem materiais não-silício com propriedades atraentes para dispositivos de memória e lógica; mas sua forma em massa comum ainda requer grandes voltagens para manipular, tornando-os incompatíveis com a eletrônica moderna. Projetar alternativas de filme fino que não apenas funcionem bem em baixas tensões operacionais, mas também possam ser empacotadas em dispositivos microeletrônicos continua sendo um desafio.

Agora, uma equipe de pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e da UC Berkeley identificaram uma rota energeticamente eficiente – sintetizando uma versão de camada fina de um material conhecido cujas propriedades são exatamente o que é necessário para dispositivos de próxima geração .

Descoberto pela primeira vez há mais de 80 anos, o titanato de bário (BaTiO₃ ) encontrou uso em vários capacitores para circuitos eletrônicos, geradores ultrassônicos, transdutores e até sonares.

Os cristais do material respondem rapidamente a um pequeno campo elétrico, invertendo a orientação dos átomos carregados que compõem o material de maneira reversível, mas permanente, mesmo que o campo aplicado seja removido. Isso fornece uma maneira de alternar entre os estados proverbiais "0" e "1" em dispositivos lógicos e de armazenamento de memória - mas ainda requer voltagens maiores que 1.000 milivolts (mV) para fazer isso.

Buscando aproveitar essas propriedades para uso em microchips, a equipe liderada pelo Berkeley Lab desenvolveu um caminho para a criação de filmes de BaTiO₃ apenas 25 nanômetros de espessura – menos de um milésimo da largura de um fio de cabelo humano – cuja orientação de átomos carregados, ou polarização, muda tão rápida e eficientemente quanto na versão em massa.

"Nós conhecemos o BaTiO₃ por quase um século e sabemos como fazer filmes finos desse material há mais de 40 anos. Mas até agora, ninguém poderia fazer um filme que pudesse chegar perto da estrutura ou desempenho que poderia ser alcançado em massa", disse Lane Martin, cientista da Faculdade de Ciências dos Materiais (MSD) do Berkeley Lab e professor de ciência dos materiais e engenharia da UC Berkeley que liderou o trabalho.

Historicamente, as tentativas de síntese resultaram em filmes que contêm maiores concentrações de "defeitos" - pontos em que a estrutura difere de uma versão idealizada do material - em comparação com as versões em massa. Uma concentração tão alta de defeitos afeta negativamente o desempenho de filmes finos. Martin e colegas desenvolveram uma abordagem para aumentar os filmes que limitam esses defeitos. As descobertas foram publicadas na revista Nature Materials.

Para entender o que é necessário para produzir o melhor BaTiO com baixo defeito₃ filmes finos, os pesquisadores se voltaram para um processo chamado de deposição de laser pulsado. Disparando um poderoso feixe de luz laser ultravioleta em um alvo cerâmico de BaTiO₃ faz com que o material se transforme em um plasma, que então transmite átomos do alvo para uma superfície para crescer o filme. "É uma ferramenta versátil onde podemos ajustar muitos botões no crescimento do filme e ver quais são mais importantes para controlar as propriedades", disse Martin.

Martin e seus colegas mostraram que seu método poderia alcançar um controle preciso sobre a estrutura, química, espessura e interfaces do filme depositado com eletrodos metálicos. Ao cortar cada amostra depositada ao meio e observar sua estrutura átomo por átomo usando ferramentas do Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da Fundição Molecular do Berkeley Lab, os pesquisadores revelaram uma versão que imitava precisamente uma fatia extremamente fina do volume.

“É divertido pensar que podemos pegar esses materiais clássicos sobre os quais pensávamos que sabíamos tudo e transformá-los em novas abordagens para criá-los e caracterizá-los”, disse Martin.

Finalmente, colocando um filme de BaTiO₃ entre duas camadas de metal, Martin e sua equipe criaram minúsculos capacitores – os componentes eletrônicos que armazenam e liberam rapidamente energia em um circuito. Aplicando voltagens de 100 mV ou menos e medindo a corrente que emerge mostrou que a polarização do filme mudou em dois bilionésimos de segundo e poderia ser mais rápida – competitiva com o que é necessário para os computadores atuais acessarem a memória ou realizarem cálculos.

O trabalho segue o objetivo maior de criar materiais com pequenas tensões de comutação e examinar como as interfaces com os componentes metálicos necessários para os dispositivos impactam esses materiais. "Esta é uma boa vitória inicial em nossa busca por eletrônicos de baixa potência que vão além do que é possível com a eletrônica baseada em silício hoje", disse Martin.

"Ao contrário de nossos novos dispositivos, os capacitores usados ​​nos chips hoje não retêm seus dados a menos que você continue aplicando uma voltagem", disse Martin. E as tecnologias atuais geralmente funcionam em 500 a 600 mV, enquanto uma versão de filme fino pode funcionar em 50 a 100 mV ou menos. Juntas, essas medições demonstram uma otimização bem-sucedida da robustez da tensão e da polarização - que tendem a ser um trade-off, especialmente em materiais finos.

Em seguida, a equipe planeja reduzir ainda mais o material para torná-lo compatível com dispositivos reais em computadores e estudar como ele se comporta nessas dimensões minúsculas. Ao mesmo tempo, eles trabalharão com colaboradores de empresas como a Intel Corp. para testar a viabilidade em dispositivos eletrônicos de primeira geração. "Se você pudesse tornar cada operação lógica em um computador um milhão de vezes mais eficiente, pense em quanta energia você economizaria. É por isso que estamos fazendo isso", disse Martin. + Explorar mais

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