De nouvelles recherches suggèrent que les matériaux généralement négligés dans la conception des puces informatiques jouent en réalité un rôle important dans le traitement de l’information, une découverte qui pourrait conduire à une électronique plus rapide et plus efficace. À l’aide de techniques d’imagerie avancées, une équipe internationale dirigée par des chercheurs de Penn State a découvert que le matériau sur lequel est construit une puce semi-conductrice, appelé substrat, réagit aux changements d’électricité tout comme le semi-conducteur qui le recouvre.
Les chercheurs ont travaillé avec un matériau semi-conducteur, le dioxyde de vanadium, qui, selon eux, présente un grand potentiel en tant que commutateur électronique. Ils ont également étudié comment le dioxyde de vanadium interagit avec le matériau du substrat, le dioxyde de titane, et ont déclaré avoir été surpris de découvrir qu’il semble y avoir une couche active dans le substrat qui se comporte de la même manière que le matériau semi-conducteur situé au-dessus lorsque le semi-conducteur passe d’un isolant à l’autre. ne pas laisser couler l’électricité – et un métal – laisser couler l’électricité. La révélation selon laquelle les substrats peuvent jouer un rôle actif dans les processus semi-conducteurs est importante pour la conception des futurs matériaux et dispositifs, a déclaré Venkatraman Gopalan, responsable de l’étude, professeur de science et d’ingénierie des matériaux et de physique à Penn State.
“De nouvelles idées sont nécessaires pour une électronique plus petite et plus rapide afin de respecter la loi de Moore”, a déclaré Gopalan, l’auteur correspondant de l’étude dans Matériaux avancés. « Une idée en cours concerne les matériaux, tels que le dioxyde de vanadium, qui peuvent passer d’un état métallique – l’état unique – à un état isolant – l’état zéro – en un billionième de seconde. C’est ce qu’on appelle les transitions métal-isolant.
Le potentiel du dioxyde de vanadium en tant que transistor métal-isolant est bien documenté et le matériau est considéré comme prometteur pour la technologie des semi-conducteurs en raison de sa faible consommation d’énergie, a déclaré Gopalan. Cependant, les propriétés du matériau ne sont pas encore entièrement comprises et, jusqu’à présent, il a généralement été observé isolément plutôt que lorsqu’il fonctionnait dans un appareil réel.
UNIVERSITY PARK, Pennsylvanie – Le dioxyde de vanadium a des effets électroniques fortement corrélés, ce qui signifie que la répulsion entre les électrons interfère avec le dispositif, et ne peut donc pas être ignoré comme c’est le cas actuellement dans l’électronique à base de silicium. Cette caractéristique peut donner naissance à des matériaux dotés de nouvelles fonctionnalités telles qu’une supraconductivité à haute température et des propriétés magnétiques améliorées.
“La physique sous-jacente de ce matériau est moins comprise, et ses performances dans la géométrie d’un dispositif sont encore moins comprises”, a déclaré Gopalan. “Si nous pouvons les faire fonctionner, il y aura une renaissance de l’électronique. En particulier, l’informatique neuromorphique – où les systèmes informatiques qui s’inspirent des cerveaux de systèmes vivants dotés de neurones pourraient sérieusement bénéficier de l’utilisation de tels appareils.
L’équipe a étudié le dioxyde de vanadium dans un dispositif plutôt que de manière isolée, en lui appliquant une tension pour le faire passer d’un état isolant à un état conducteur. Ils ont utilisé l’Advanced Photon Source (APS) du Laboratoire national d’Argonne, qui utilise de puissants faisceaux de rayons X pour étudier le comportement et la structure des matériaux au niveau atomique. Lors de la cartographie de la réponse spatiale et temporelle du matériau à l’événement de commutation, les chercheurs ont observé des changements inattendus dans la structure du matériau et du substrat.
“Ce que nous avons découvert, c’est que lorsque le film de dioxyde de vanadium se transforme en métal, l’ensemble du canal du film se gonfle, ce qui est très surprenant”, a déclaré Gopalan. « Normalement, il est censé rétrécir. Il est donc clair qu’il se passait autre chose dans la géométrie du film, ce qui avait été manqué auparavant. »
Les rayons X APS ont pénétré à travers le film de dioxyde de vanadium et dans le substrat de dioxyde de titane (TiO2) – qui est normalement considéré comme un matériau électriquement et mécaniquement passif – sur lequel le film mince a été développé.
“Nous avons découvert à notre grande surprise que ce substrat est très actif, bouge et réagit de manière tout à fait surprenante lorsque le film passe d’un isolant à un métal et inversement, lorsque les impulsions électriques arrivent”, a déclaré Gopalan. “C’est comme regarder la queue qui remue le chien, ce qui nous a longtemps laissé perplexes. Cette observation surprenante et jusqu’alors négligée change complètement la façon dont nous devons percevoir cette technologie.
Pour comprendre ces résultats, l’effort de théorie et de simulation – dirigé par Long-Qing Chen, professeur Hamer de science et d’ingénierie des matériaux, professeur de sciences de l’ingénieur, de mécanique et de mathématiques à Penn State – a développé un cadre théorique pour expliquer l’ensemble du processus de le film et le substrat se gonflent au lieu de rétrécir. Lorsque leur modèle incorporait des atomes d’oxygène manquants d’origine naturelle dans ce matériau de deux types, chargés et non chargés, les résultats expérimentaux pouvaient être expliqués de manière satisfaisante.
“Ces lacunes d’oxygène neutre contiennent une charge de deux électrons, qu’elles peuvent libérer lorsque le matériau passe d’un isolant à un métal”, a déclaré Gopalan. « Le vide d’oxygène laissé derrière lui est maintenant chargé et gonfle, conduisant au gonflement surprenant observé dans l’appareil. Cela peut également se produire dans le substrat. Tous ces processus physiques sont magnifiquement capturés dans la théorie et la modélisation des champs de phases réalisées pour la première fois dans ce travail par le postdoc Yin Shi du groupe du professeur Chen.
Gopalan a attribué cette nouvelle compréhension à l’expertise combinée de l’équipe multidisciplinaire en matière de croissance de matériaux, de synthèse, d’analyse de structure et de fonctionnement de la ligne de lumière synchrotron. En utilisant une approche collaborative dirigée par Greg Stone, physicien de l’armée américaine et auteur expérimental principal, et Yin Chi, chercheur postdoctoral à Penn State et auteur principal de la théorie, les chercheurs ont démêlé les réponses du matériau et les ont observées individuellement à l’aide du champ de phase. simulations, une simulation qui aide les scientifiques à comprendre les changements matériels au fil du temps en décrivant divers états de la matière dans un cadre virtuel.
“En réunissant ces experts et en mettant en commun notre compréhension du problème, nous avons pu aller bien au-delà de notre champ d’expertise individuel et découvrir quelque chose de nouveau”, a déclaré Roman Engel-Herbert, directeur de l’Institut Paul Drude d’électronique à semi-conducteurs à Berlin. , Allemagne, et co-auteur de l’étude dont le groupe a développé ces films avec le groupe de Darrell Schlom à l’Université Cornell. “Reconnaître le potentiel des matériaux fonctionnels nécessite une appréciation de leur contexte plus large, tout comme les défis scientifiques complexes ne peuvent être résolus qu’en élargissant nos perspectives individuelles.”
La collaboration a permis à la fois de réaliser des progrès significatifs dans un court laps de temps et de réaliser des travaux dans un laps de temps plus court, et a apporté une variété de perspectives provenant de plusieurs disciplines.
Les réponses elles-mêmes nécessitent des recherches plus approfondies, ont déclaré les chercheurs, mais ils pensent que leur compréhension aidera à identifier les capacités jusqu’alors inconnues du dioxyde de vanadium, y compris des phénomènes potentiels encore à découvrir dans le substrat TiO2 qui était considéré comme passif avant cette étude. L’étude elle-même s’est déroulée sur 10 ans, a noté Gopalan, y compris la validation des résultats.
“C’est ce qu’il faut pour passer d’une science intéressante à un appareil fonctionnel que vous pouvez tenir dans la paume de votre main”, a déclaré Gopalan. « Les expériences et la théorie sont complexes et nécessitent des équipes collaboratives à grande échelle travaillant en étroite collaboration sur une période prolongée pour résoudre des problèmes difficiles qui pourraient avoir un impact important. Nous espérons et espérons que cela accélérera les progrès vers une nouvelle génération d’appareils électroniques.
Avant d’occuper son poste actuel, Stone a effectué une bourse postdoctorale à Penn State. Outre Gopalan, Engel-Herbert, Chen, Schlom, Stone et Chi, les autres auteurs de l’article incluent Matthew Jerry, étudiant diplômé, et Vladimir Stoica, professeur agrégé de recherche, tous deux de Penn State ; Hanjong Paik de l’Université Cornell ; Zhonghou Cai et Haidan Wen du Laboratoire national d’Argonne et Suman Datta du Georgia Institute of Technology. Le ministère de l’Énergie a principalement soutenu ce travail. La National Science Foundation des États-Unis a soutenu la croissance du film pour cette étude.
2024-05-03 00:05:00
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