非硅材料制成的新型超薄电容器或可实现更节能的微芯片

"预计到2030年，信息技术将消耗约25%的天然能源。"

作者：Claire

编辑：tuya

5月26日，劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)和加州大学伯克利分校的一组研究人员在Nature Materials杂志上发表了题为“在BaTiO 3中实现超低电压开关”（Enabling ultra-low-voltage switching in BaTiO3）的最新研究，展示了一种新型的超薄电容器，该技术可以用来开发更加节能的微芯片。

为现代设备提供动力的硅基计算机芯片需要大量的能量才能运行。该研究指出，尽管计算效率不断提高，但预计到2030年，信息技术将消耗约25%的天然能源。

研究团队认为，要想降低这种能耗需求，关键在于开发可以在更低电压下工作的微电子器件。有一些应用于存储器和逻辑器件的非硅材料，被认为拥有有吸引力的特性，或可用于替代目前的硅基器件。但这些非硅材料的常见体积形式，与启动所需的电压量与现代电子产品不兼容。如何开发既能在低工作电压下表现良好，又能封装到微电子器件中的薄膜替代品，仍然是一个挑战。

因此，研究团队合成了一种已被广泛了解的材料BaTiO3（钛酸钡）的薄膜版本以解决这一问题。

BaTiO3在80多年前首次被发现，可用于电子电路、超声波发生器、换能器甚至声纳的各种电容器。这种材料的晶体对小电场反应迅速，即使去除电场，构成材料的带电原子的方向也会以可逆但永久的方式发生变化。这提供了一种在逻辑和存储设备中所需的“0”和“1”状态之间切换的方法。但此前，仍然需要大于1000毫伏(mV)的电压来做到这一点。

为了利用这些特性在微芯片中使用，研究团队开发了一种方法，来制造仅25纳米薄的BaTiO3 薄膜。

该研究的领头人加州大学伯克利分校材料科学与工程教授Lane Martin表示，“我们在大半个世纪前就知道BaTiO3了，40多年前我们就知道如何用这种材料制作薄膜。但到目前为止，还没有人能制作出一种与批量生产的结构或性能相近的薄膜。”

主要的障碍在于，过去的合成尝试中薄膜含有较高浓度的“缺陷”（即结构与理想材料不同的点）。浓度过高，会对薄膜的性能产生负面影响。

研究团队找到了一种可以限制这些缺陷的薄膜生长方法。他们使用了一种称为脉冲激光沉积（pulsed-laser deposition）的工艺。向BaTiO3陶瓷靶上发射一束强大的紫外线激光，使材料转变为等离子体，然后将靶材中的原子传输到表面上以生长薄膜。通过这个工具，研究人员可以在薄膜生长过程中调节许多旋钮（knobs），观察哪些对控制属性最重要。

Martin表示，他们的方法可以精确控制沉积膜的结构、化学成分、厚度以及与金属电极的接口。在伯克利实验室分子铸造中心的国家电子显微镜中心，通过将每个沉积的样本切成两半，并使用工具逐个原子观察其结构，研究人员找到了一个极薄版本，精确模拟了原有结构。

最后，通过在两个金属层之间放置一层这样的BaTiO3薄膜，研究团队制作出了微型电容器，这种电子元件可以在电路中快速存储和释放能量。施加100mV或更低的电压并测量产生的电流，结果显示薄膜的极化转换（polarization switch）在20亿分之一秒内完成——与当今计算机访问内存或执行计算所需的速度相比，具有竞争力。

目前常见的技术通常需要在500到600mV环境下工作，而薄膜版本只需要50到100mV 或更低的环境。总之，这些测量结果证明了电压和极化稳健性（polarization robustness）的成功优化，这两项在薄材料中往往是一组需要权衡（trade-off）的指标。

接下来，该团队计划将材料缩小到更薄，使其与计算机中的真实设备兼容，并研究它在这些微小尺寸下的行为方式。同时，他们将与英特尔等公司者合作，测试第一代电子设备的可行性。