Odkrycia w fizyce. Ultracienki materiał pomoże oszczędzać prąd

Jak oszczędzić prąd? Zacząć od wnętrza chipów

Opaski fitness, smartfony, smartwatche i komputery są dziś nieodłącznym elementem codziennego życia milionów ludzi na całym świecie. Choć pojedyncze urządzenia zużywają stosunkowo niewiele energii, ich ogromna liczba przekłada się na znaczące zużycie prądu i obciążenie środowiska. Właśnie dlatego naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory i University of California znaleźli sposób, który w przyszłości może przyczynić się do zmniejszenia zużycia energii elektrycznej.

Kluczowy okazał się dwutlenek tytanu. Materiał dobrze znany w technologii półprzewodnikowej po „odchudzeniu” do mniej niż 3 nanometrów zaczyna zachowywać się jak ferroelektryk. Innymi słowy: może utrzymywać polaryzację elektryczną i przełączać ją pod wpływem pola elektrycznego. Dla pamięci i układów logicznych przyszłości to bardzo ważne.

Dwutlenek tytanu pokazał inną twarz

Sama koncepcja nie jest całkiem nowa, ponieważ materiały ferroelektryczne są wykorzystywane w przemyśle od lat, dzięki swojej zdolności do przełączania polaryzacji elektronicznej. Teraz zaś, jak czytamy w artykule opublikowanym w czasopiśmie Science, odkrycie to może przyczynić się do produkcji energooszczędnej nanoelektroniki, która obejmuje pamięci nieulotne, układy logiczne oraz rozwijające się technologie obliczeniowe.

Profesor Sayeef Salahuddin twierdzi, że projektowanie materiałów o grubości zaledwie kilku atomów może ujawniać niespodziewane zjawiska fizyczne. Mało tego, jego właściwości mogą zostać utrzymane na wysokim poziomie, nawet jeśli grubość materiału wynosi zaledwie 1 nm. To odpowiednik w przybliżeniu dwóch komórek elementarnych.

Kilka atomów zmienia reguły gry

Co z tego wynika? Po pierwsze, naukowcy pokazali, że w tak małej skali grubość materiału przestaje być tylko technicznym szczegółem. Może decydować o tym, jak materiał się zachowuje i czy zaczyna wykazywać właściwości ferroelektryczne. Po drugie, to odkrycie w fizyce sugeruje, że i inne dobrze znane materiały mogą po „odchudzeniu” do kilku atomów ujawniać cechy, których wcześniej u nich nie obserwowano.

Koushik Das, jeden z autorów badania, wyjaśnia, że przełom zaczyna się w momencie, gdy warstwa dwutlenku tytanu zostaje zmniejszona do skali kilku atomów. Wtedy materiał zaczyna układać się inaczej. Zmienia się jego struktura krystaliczna, a w środku pojawia się polaryzacja elektryczna, którą można odwracać za pomocą pola elektrycznego. To właśnie ta możliwość „przełączania” sprawia, że to odkrycie w fizyce jest tak interesujące dla naukowców pracujących nad pamięciami i układami logicznymi przyszłości.

Od odkrycia w fizyce do fabryki chipów

Wyniki pokazały też, że ultracienkie warstwy TiO2 mogą zachowywać swoje właściwości po umieszczeniu ich na różnych kompatybilnych podłożach. To istotne, bo materiał przydatny tylko w idealnych warunkach laboratoryjnych rzadko przyczynia się do rewolucji w przemyśle. Dopiero zgodność z istniejącą technologią półprzewodnikową otwiera drogę do dalszych prac nad praktycznym zastosowaniem w rzeczywistym świecie.

Ultracienkie warstwy TiO2 można wytwarzać w niskiej temperaturze, poniżej 400 stopni Celsjusza, przy użyciu osadzania warstw atomowych [ALD], techniki już stosowanej w nowoczesnej produkcji układów scalonych.

– powiedział Koushik Dias, jeden z autorów badania, cytowany na stronie uczelni University of California.

To nie jest jeszcze rewolucja w telefonach

Wyniki są obiecujące, ale technologia pozostaje na poziomie badań podstawowych. Przed nią stoją najtrudniejsze pytania: czy da się ją stabilnie skalować, powtarzalnie produkować i bezpiecznie zintegrować z elektroniką krzemową. Jeśli wszystko się uda, ten sposób może być jednym z odpowiedzi na to, jak oszczędzać prąd.

Warto przeczytać: Polska fizyk dokonała niemożliwego. Stworzyła kubit z antymaterii