Wenn wir über drahtlose Netzwerke mit anderen kommunizieren, werden Informationen an Rechenzentren gesendet, wo sie gesammelt, gespeichert, verarbeitet und verteilt werden. Da der rechnerische Energieverbrauch weiter zunimmt, ist er auf dem besten Weg, in diesem Jahrhundert möglicherweise zur führenden Quelle des Energieverbrauchs zu werden. Speicher und Logik sind in den meisten modernen Computern physisch getrennt, und daher ist die Interaktion zwischen diesen beiden Komponenten beim Zugriff, Bearbeiten und Wiederherstellen von Daten sehr energieintensiv.
Ein Forscherteam der Carnegie Mellon University und der Penn State University erforscht Materialien, die möglicherweise zur Integration des Speichers direkt auf dem Transistor führen könnten. Durch eine Änderung der Architektur der Mikroschaltung könnten Prozessoren wesentlich effizienter sein und weniger Energie verbrauchen. Die untersuchten nichtflüchtigen Materialien schaffen nicht nur eine Nähe zwischen diesen Komponenten, sondern haben auch das Potenzial, die regelmäßige Aktualisierung von Computerspeichersystemen überflüssig zu machen.
Ihre jüngste Arbeit wurde veröffentlicht in Wissenschaft erforscht Materialien, die ferroelektrisch sind oder eine spontane elektrische Polarisation aufweisen, die durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes umgekehrt werden kann. Kürzlich entdeckte Wurtzit-Ferroelektrika, die hauptsächlich aus Materialien bestehen, die bereits in der Halbleitertechnologie für integrierte Schaltkreise verwendet werden, ermöglichen die Integration neuer energieeffizienter Geräte für Anwendungen wie nichtflüchtige Speicher, Elektrooptik und Energiegewinnung.
Eine der größten Herausforderungen bei Wurtzit-Ferroelektrika besteht darin, dass die Lücke zwischen den für den Betrieb erforderlichen elektrischen Feldern und dem Durchschlagsfeld sehr klein ist.
„Es werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um diesen Spielraum zu vergrößern, was ein gründliches Verständnis der Auswirkungen der Zusammensetzung, Struktur und Architektur von Filmen auf die Fähigkeit zur Polarisationsumschaltung bei praktischen elektrischen Feldern erfordert“, sagte Sebastian Calderone, Postdoktorand bei Carnegie Mellon der Hauptautor des Papiers.
In-situ-experimentelle STEM-Bilder (linkes Feld) und First-Principles-Berechnungsvorhersage (rechtes Feld). Bildnachweis: Carnegie Mellon University College of Engineering
Die beiden Institutionen wurden zusammengebracht, um an dieser Studie über das Center for 3D Ferroelectric Microelectronics (3DFeM) zusammenzuarbeiten, ein Programm des Energy Frontier Research Center (EFRC) unter der Leitung der Penn State University.
Die Materialwissenschafts- und Ingenieursabteilung der Carnegie Mellon unter der Leitung von Professorin Elizabeth Dickey wurde für dieses Projekt ausgewählt, da sie über Erfahrung in der Untersuchung der Rolle der Struktur von Materialien bei den funktionellen Eigenschaften in sehr kleinen Maßstäben mittels Elektronenmikroskopie verfügt.
„Professor Dickeys Gruppe verfügt über eine besondere aktuelle Expertise bei der Messung der Struktur dieser Materialien auf sehr kleinen Längenskalen sowie einen Fokus auf die besonderen elektronischen Materialien, die für dieses Projekt von Interesse sind“, sagte Jon-Paul Maria, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Penn State University.
Gemeinsam entwarf das Forschungsteam ein Experiment, das die starke Expertise beider Institutionen in der Synthese, Charakterisierung und theoretischen Modellierung von Wurtzit-Ferroelektrika vereinte.
Durch die Beobachtung und Quantifizierung der Polarisationsumschaltung in Echtzeit mithilfe der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) führte die Studie zu einem grundlegenden Verständnis darüber, wie solche neuartigen ferroelektrischen Materialien auf atomarer Ebene wechseln. Mit fortschreitender Forschung auf diesem Gebiet besteht das Ziel darin, die Materialien auf eine Größe zu skalieren, in der sie in der modernen Mikroelektronik eingesetzt werden können.
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Sebastian Calderon et al., Polarisationsumschaltung im atomaren Maßstab in Wurtzit-Ferroelektrika, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adh7670