El descubrimiento del intrigante comportamiento de los materiales a pequeña escala podría reducir la demanda de energía para la informática.

As dispositivos electrónicos cada vez más pequeños, los materiales que los alimentan necesitan volverse más y más delgados. Debido a esto, uno de los desafíos clave que enfrentan los científicos en el desarrollo de la próxima generación de productos electrónicos eficientes desde el punto de vista energético es descubrir materiales que puedan mantener propiedades electrónicas especiales en un tamaño ultradelgado.

Los materiales avanzados conocidos como ferroeléctricos presentan una solución prometedora para ayudar a reducir el consumo de energía de los dispositivos electrónicos ultrapequeños que se encuentran en los teléfonos celulares y las computadoras. Los ferroeléctricos, el análogo eléctrico de los ferroimanes, son una clase de materiales en los que algunos de los átomos están dispuestos descentrados, lo que lleva a una polarización o carga eléctrica interna espontánea. Esta polarización interna puede invertir su dirección cuando los científicos exponen el material a un voltaje externo. Esto ofrece una gran promesa para la microelectrónica de potencia ultrabaja.

Desafortunadamente, los materiales ferroeléctricos convencionales pierden su polarización interna por debajo de unos pocos nanómetros de espesor. Esto significa que no son compatibles con la tecnología de silicio actual. Este problema ha impedido previamente la integración de ferroeléctricos en microelectrónicos.

Pero ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Berkeley que realiza experimentos en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha encontrado una solución que resuelve simultáneamente ambos problemas al crear el ferroeléctrico más delgado jamás reportado y la demostración más delgada de un funcionamiento. memoria en silicio.

En un estudio publicado en la revista. Ciencia:, el equipo de investigación descubrió ferroelectricidad estable en una capa ultrafina de dióxido de circonio de apenas medio nanómetro de espesor. Ese es el tamaño de un solo bloque de construcción atómico, unas 200,000 veces más delgado que un cabello humano. El equipo cultivó este material directamente sobre silicio. Descubrieron que la ferroelectricidad emerge en el dióxido de circonio, normalmente un material no ferroeléctrico, cuando se vuelve extremadamente delgado, de aproximadamente 1 a 2 nanómetros de espesor.

En particular, el comportamiento ferroeléctrico continúa hasta su límite de espesor cercano a la escala atómica de aproximadamente medio nanómetro. Este avance fundamental marca el ferroeléctrico más delgado del mundo. Esto es sorprendente para un material que ni siquiera es típicamente ferroeléctrico en su forma masiva.

Los investigadores también pudieron cambiar la polarización en este material ultrafino de un lado a otro con un pequeño voltaje, lo que permitió la demostración más delgada de una memoria de trabajo jamás reportada en silicio. También ofrece una promesa sustancial para la electrónica de eficiencia energética, especialmente teniendo en cuenta que el dióxido de circonio convencional ya está presente en los chips de silicio de última generación de la actualidad.

“Este trabajo da un paso clave hacia la integración ferroeléctricos en microelectrónica de alta escala”, dijo Suraj Cheema, investigador postdoctoral en UC Berkeley, el primer autor del estudio.

Visualizar el comportamiento ferroeléctrico de tales sistemas ultrafinos requirió el uso de la fuente de fotones avanzada de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. “La difracción de rayos X brinda la información necesaria sobre cómo surge esta ferroelectricidad”, dijo el físico de Argonne John Freeland, otro autor del estudio.

Más allá del impacto tecnológico inmediato, este trabajo también tiene importantes implicaciones para el diseño de nuevos materiales bidimensionales.

“Simplemente exprimir materiales 3D hasta su límite de espesor 2D ofrece una ruta sencilla pero efectiva para desbloquear fenómenos ocultos en una amplia variedad de materiales simples”, dijo Cheema. “Esto amplía enormemente el espacio de diseño de materiales para la electrónica de próxima generación para incluir materiales que ya son compatibles con las tecnologías de silicio”.

Como señaló Cheema, el simple crecimiento de unas pocas capas atómicas de un material 3D puede ofrecer el potencial para una nueva clase de materiales 2D, materiales 3D atómicamente delgados, que van más allá de las láminas convencionales de materiales 2D como el grafeno. Los investigadores esperan que este trabajo motive más investigaciones sobre materiales 3D bidimensionales que muestren fenómenos electrónicos emergentes relevantes para la electrónica de eficiencia energética.

Este trabajo fue dirigido por Cheema y Sayeef Salahuddin de UC Berkeley, junto con los coautores Nirmaan Shanker y Shang-Lin Hsu. En la línea de luz 33-BM-C de la fuente de fotones avanzada de Argonne, en colaboración con los físicos de Argonne Freeland y Zhan Zhang, los investigadores emplearon la espectroscopia de absorción de rayos X de sincrotrón y la difracción de rayos X para investigar la evolución estructural de la ferroelectricidad a escala atómica y explorar su orígenes electrónicos.

En la Fuente de Luz Avanzada y Fundición Molecular del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, en colaboración con los científicos Padraic Shafer y Jim Ciston, se estudió la estructura cristalina ferroeléctrica del material utilizando rayos X suaves y microscopía electrónica de transmisión.