| 2022年6月22日 |
新型超薄電容可使節能微芯片成為可能（Nanowerk新聞為我們的現代設備提供動力的矽基計算機芯片需要大量的能量才能運轉。盡管計算效率不斷提高，但到2030年，信息技術預計將消耗約25%的一次能源。微電子學和材料科學領域的研究人員正在尋找可持續管理全球計算能力需求的方法。 |
| 減少這種數字需求的聖杯是開發在更低電壓下工作的微電子技術，這將需要更少的能源，這是努力超越今天最先進的CMOS(互補金屬氧化物半導體)器件的主要目標。 |
| 非矽材料對存儲器和邏輯器件具有誘人的性能;但它們常見的體積形式仍然需要較大的電壓來操作，這使得它們與現代電子設備不兼容。設計薄膜替代品不僅能在低工作電壓下表現良好，而且還能裝入微電子器件仍然是一個挑戰。 |
| 現在，勞倫斯·伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)和加州大學伯克利分校的一組研究人員發現了一條節能途徑——通過合成一種眾所周知的材料的薄層版本，這種材料的性能正是下一代設備所需要的。 |
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| 電子顯微鏡圖像顯示了薄膜鈦酸鋇的精確原子結構3.)夾在釕酸鍶(SrRuO3.)製造一個微型電容器。(圖片來源:Lane Martin，伯克利實驗室) |
| 鈦酸鋇在80多年前首次被發現3.)被用於電子電路、超聲波發生器、換能器甚至聲納的各種電容器中。 |
| 這種材料的晶體對小電場的反應很快，即使去除電場，構成材料的帶電原子的方向也會以可逆但永久的方式發生翻轉。這為邏輯和內存存儲設備中眾所周知的“0”和“1”狀態之間的切換提供了一種方法，但仍需要大於1000毫伏(mV)的電壓才能做到這一點。 |
| 為了在微芯片中利用這些特性，伯克利實驗室領導的團隊開發了一種生成BaTiO薄膜的途徑3.隻有25納米薄——不到人類頭發寬度的千分之一——它的帶電原子的方向，或極化，可以像體積版一樣快速有效地切換。 |
| “我們已經知道了BaTiO的事3.近一個世紀以來，我們已經知道如何用這種材料製作薄膜40多年了。但直到現在，沒有人能製作出接近於批量製作的結構或性能的薄膜，”伯克利實驗室材料科學部(MSD)的教職員科學家、加州大學伯克利分校材料科學與工程教授萊恩·馬丁說，他領導了這項工作。 |
| 曆史上，合成嚐試的結果是，與大塊版本相比，薄膜含有更高濃度的“缺陷”(結構與理想材料版本不同的點)。如此高濃度的缺陷會對薄膜的性能產生負麵影響。馬丁和他的同事們開發了一種培養薄膜的方法來限製這些缺陷。 |
| 研究結果發表在該雜誌上自然材料（在BaTiO中啟用超低電壓開關3.＂）. |
| 了解如何生產出最好的，低缺陷的BaTiO3.對於薄膜，研究人員轉向一種叫做脈衝激光沉積的過程。在BaTiO的陶瓷靶上發射強大的紫外線激光束3.使材料轉化為等離子體，然後將原子從目標傳輸到表麵生長薄膜。馬丁說:“這是一個多功能的工具，我們可以在膠片的生長過程中調整很多旋鈕，看看哪些是最重要的控製特性。” |
| 馬丁和他的同事們表明，他們的方法可以精確控製沉積膜的結構、化學成分、厚度以及與金屬電極的界麵。通過將每個沉積的樣品切成兩半，並使用伯克利實驗室分子鑄造的國家電子顯微鏡中心的工具逐個原子地觀察其結構，研究人員發現了一種精確模仿大塊極薄薄片的版本。 |
| 馬丁說:“想到我們可以利用這些我們自以為了解一切的經典材料，用新的方法來製造和刻畫它們，這很有趣。” |
| 最後，通過放置一層BaTiO薄膜3.在兩個金屬層之間，馬丁和他的團隊創造了微型電容器——一種在電路中快速儲存和釋放能量的電子元件。施加100mv或更小的電壓並測量產生的電流表明，薄膜的偏振切換在20億分之一秒內，而且可能更快——與今天的計算機訪問內存或執行計算所需的時間相競爭。 |
| 這項工作遵循一個更大的目標，即創造具有小開關電壓的材料，並研究與設備所需的金屬組件的接口如何影響這些材料。馬丁說:“這是我們追求低功耗電子產品的一個良好的早期勝利，它超越了目前矽基電子產品的可能。” |
| 馬丁說:“與我們的新設備不同的是，今天芯片中使用的電容器不能保存數據，除非你持續施加電壓。”目前的技術通常工作在500 - 600 mV，而薄膜版本可以工作在50 - 100 mV或更低。總之，這些測量證明了電壓和極化魯棒性的成功優化——這往往是一種權衡，特別是在薄材料中。 |
| 下一步，該團隊計劃將這種材料收縮得更薄，使其與計算機中的真實設備兼容，並研究它在這些微小尺寸下的表現。與此同時，他們將與英特爾(Intel Corp.)等公司合作，測試第一代電子設備的可行性。“如果你能使計算機中的每一個邏輯操作的效率提高一百萬倍，想想你會節省多少能源。這就是我們這麼做的原因。”馬丁說。 |
