Uma pesquisa recente liderada pela Penn State revelou que os substratos, muitas vezes negligenciados no projeto de semicondutores, participam ativamente de processos eletrônicos, de forma semelhante aos semicondutores. Esta descoberta, centrada nas interações entre o dióxido de vanádio e o dióxido de titânio, poderá revolucionar o design e a eficiência dos futuros dispositivos eletrónicos. Crédito: SciTechDaily.com
Novas pesquisas indicam que materiais tradicionalmente ignorados no design de chips de computador são cruciais para o processamento de informações. Essa inovação pode abrir caminho para uma eletrônica mais rápida e eficiente. Usando técnicas avançadas de imagem, uma equipe internacional liderada por pesquisadores da Penn State descobriu que o material sobre o qual um dispositivo de chip semicondutor é construído, chamado substrato, responde a mudanças na eletricidade da mesma forma que o semicondutor que está em cima dele.
Os pesquisadores trabalharam com o material semicondutor, o dióxido de vanádio, que, segundo eles, apresenta grande potencial como interruptor eletrônico. Eles também estudaram como o dióxido de vanádio interage com o material do substrato dióxido de titânio e disseram que ficaram surpresos ao descobrir que parece haver uma camada ativa no substrato que se comporta de forma semelhante ao material semicondutor em cima dele quando o semicondutor alterna entre um isolante – não deixando a eletricidade fluir – e um metal – deixando a eletricidade fluir. A revelação de que os substratos podem desempenhar um papel ativo nos processos de semicondutores é significativa para o projeto de futuros materiais e dispositivos, disse o líder do estudo Venkatraman Gopalan, professor de ciência e engenharia de materiais e de física na Penn State.
O potencial do dióxido de vanádio
“Novas ideias são necessárias para eletrônicos menores e mais rápidos, a fim de acompanhar a lei de Moore”, disse Gopalan, autor correspondente do estudo em Materiais avançados. “Uma ideia que está sendo perseguida são os materiais, como o dióxido de vanádio, que podem alternar entre os estados metálico – o estado único – e isolante – o estado zero – em um trilionésimo de segundo. Isso é conhecido como transição metal-isolante.”
O potencial do dióxido de vanádio como transistor de metal para isolante está bem documentado e o material é considerado promissor para a tecnologia de semicondutores devido ao seu baixo consumo de energia, disse Gopalan. No entanto, as propriedades do material ainda não são totalmente compreendidas e, até agora, tem sido geralmente observada isoladamente, em vez de funcionar num dispositivo real.
Venkatraman Gopalan, professor de ciência e engenharia de materiais e de física, em seu laboratório óptico. Crédito: Seana Wood/Penn State Materials Research Institute
O dióxido de vanádio tem efeitos eletrônicos fortemente correlacionados, o que significa que a repulsão entre os elétrons interfere no dispositivo, portanto não pode ser ignorado como é feito atualmente na eletrônica baseada em silício. Esta característica pode resultar em materiais com novas funcionalidades, como supercondutividade em alta temperatura e propriedades magnéticas aprimoradas.
“A física subjacente deste material é menos compreendida e seu desempenho na geometria de um dispositivo é ainda menos compreendido”, disse Gopalan. “Se conseguirmos fazê-los funcionar, haverá um renascimento na eletrônica. Em particular, a computação neuromórfica – onde os sistemas de computador que se inspiram nos cérebros de sistemas vivos com neurônios – poderiam se beneficiar seriamente com o uso de tais dispositivos.”
Imagens avançadas e descobertas surpreendentes
A equipe investigou o dióxido de vanádio em um dispositivo, e não isoladamente, aplicando-lhe uma voltagem para fazê-lo passar de um estado isolante para um estado condutor. Eles usaram a Fonte Avançada de Fótons (APS) do Laboratório Nacional de Argonne, que usa poderosos feixes de raios X para estudar o comportamento e a estrutura dos materiais no nível atômico. Ao mapear a resposta espacial e temporal do material ao evento de comutação, os pesquisadores observaram mudanças inesperadas na estrutura do material e do substrato.
“O que descobrimos foi que à medida que o filme de dióxido de vanádio se transforma em metal, todo o canal do filme incha, o que é muito surpreendente”, disse Gopalan. “Normalmente é suposto encolher. Então, claramente, algo mais estava acontecendo na geometria do filme que não foi percebido antes.”
O raio X APS penetrou através do filme de dióxido de vanádio e no substrato de dióxido de titânio (TiO2) – que normalmente é considerado um material eletricamente e mecanicamente passivo – onde o filme fino foi cultivado.
“Descobrimos, para nossa grande surpresa, que este substrato é muito ativo, oscilando e respondendo de maneiras completamente surpreendentes à medida que o filme muda de um isolante para um metal e vice-versa, quando os pulsos elétricos chegam”, disse Gopalan. “É como ver o rabo abanando o cachorro, o que nos deixou perplexos por muito tempo. Esta observação surpreendente e anteriormente esquecida muda completamente a forma como precisamos ver esta tecnologia.”
Insights teóricos e descobertas colaborativas
Para compreender essas descobertas, o esforço de teoria e simulação – liderado por Long-Qing Chen, Professor Hamer de Ciência e Engenharia de Materiais, professor de ciências da engenharia e mecânica e de matemática na Penn State – desenvolveu uma estrutura teórica para explicar todo o processo do filme e o substrato inchando em vez de encolher. Quando seu modelo incorporou átomos de oxigênio ausentes que ocorrem naturalmente neste material de dois tipos, carregados e não carregados, os resultados experimentais puderam ser explicados satisfatoriamente.
“Essas vagas neutras de oxigênio contêm uma carga de dois elétrons, que podem ser liberados quando o material muda de isolante para metal”, disse Gopalan. “A lacuna de oxigênio deixada para trás agora está carregada e incha, levando ao surpreendente inchaço observado no dispositivo. Isso também pode acontecer no substrato. Todos esses processos físicos são lindamente capturados na teoria de campo de fase e na modelagem realizada neste trabalho pela primeira vez pelo pós-doutorado Yin Shi no grupo do professor Chen.”
Gopalan creditou a experiência combinada da equipe multidisciplinar em crescimento de materiais, síntese, análise de estrutura e operação de linhas de luz síncrotron com o novo entendimento. Usando uma abordagem colaborativa liderada por Greg Stone, um cientista físico do Exército dos EUA e principal autor experimental, e Yin Chi, pesquisador de pós-doutorado na Penn State e principal autor da teoria, os pesquisadores desembaraçaram as respostas do material e as observaram individualmente usando campo de fase. simulações, uma simulação que ajuda os cientistas a compreender as mudanças materiais ao longo do tempo, representando vários estados da matéria em um ambiente virtual.
“Ao reunir estes especialistas e unir a nossa compreensão do problema, fomos capazes de ir muito além do nosso âmbito individual de especialização e descobrir algo novo”, disse Roman Engel-Herbert, diretor do Instituto Paul Drude de Eletrônica de Estado Sólido em Berlim. , Alemanha, e coautor do estudo cujo grupo desenvolveu esses filmes junto com o grupo de Darrell Schlom na Universidade Cornell. “Reconhecer o potencial dos materiais funcionais exige uma apreciação do seu contexto mais amplo, tal como desafios científicos complexos só podem ser resolvidos através do alargamento das nossas perspectivas individuais.”
A colaboração permitiu que um progresso significativo acontecesse num curto período de tempo e que o trabalho fosse realizado num período de tempo mais curto, e trouxe uma variedade de perspectivas de múltiplas disciplinas.
As respostas em si requerem uma investigação mais aprofundada, disseram os pesquisadores, mas eles acreditam que compreendê-las ajudará na identificação de capacidades anteriormente desconhecidas do dióxido de vanádio, incluindo fenômenos potenciais ainda a serem descobertos no substrato de TiO2 que era considerado passivo antes deste estudo. O estudo em si se desenvolveu ao longo de 10 anos, observou Gopalan, incluindo a validação dos resultados.
“Isso é o que é preciso para passar de uma ciência interessante a um dispositivo funcional que você pode segurar na palma da sua mão”, disse Gopalan. “Os experimentos e a teoria são complexos e exigem equipes colaborativas em grande escala trabalhando em estreita colaboração durante um longo período de tempo para resolver problemas difíceis que podem ter um grande impacto. Esperamos e esperamos que isso acelere o progresso em direção a uma nova geração de dispositivos eletrônicos.”
Referência: “Imagem espaço-temporal In-Operando da elastodinâmica de filme-substrato acoplado durante uma transição de isolante para metal” por Greg Stone, Yin Shi, Matthew Jerry, Vladimir Stoica, Hanjong Paik, Zhonghou Cai, Darrell G. Schlom, Roman Engel- Herbert, Suman Datta, Haidan Wen, Long-Qing Chen e Venkatraman Gopalan, 05 de março de 2024, Materiais avançados.
DOI: 10.1002/adma.202312673
Antes de seu cargo atual, Stone completou uma bolsa de pós-doutorado na Penn State. Junto com Gopalan, Engel-Herbert, Chen, Schlom, Stone e Chi, outros autores do artigo incluem Matthew Jerry, estudante de pós-graduação, e Vladimir Stoica, professor associado de pesquisa, ambos da Penn State; Hanjong Paik, da Universidade Cornell; Zhonghou Cai e Haidan Wen do Laboratório Nacional de Argonne e Suman Datta do Instituto de Tecnologia da Geórgia. O Departamento de Energia apoiou principalmente este trabalho. A National Science Foundation dos EUA apoiou o crescimento do filme para este estudo.
