Una nueva investigación sugiere que los materiales comúnmente pasados ​​por alto en el diseño de chips de computadora en realidad desempeñan un papel importante en el procesamiento de la información, un descubrimiento que podría conducir a una electrónica más rápida y eficiente.

Utilizando técnicas de imágenes avanzadas, un equipo internacional dirigido por investigadores de Penn State descubrió que el material sobre el que está construido un dispositivo de chip semiconductor, llamado sustrato, responde a los cambios en la electricidad de manera muy similar al semiconductor que está encima.

Los investigadores trabajaron con el material semiconductor, dióxido de vanadio, que, según dijeron, muestra un gran potencial como interruptor electrónico.También estudiaron cómo interactúa el dióxido de vanadio con el material del sustrato, el dióxido de titanio, y dijeron que se sorprendieron al descubrir que parece haber una capa activa en el sustrato que se comporta de manera similar a lamaterial semiconductorencima cuando el semiconductor cambia entre un aislante, que no deja que la electricidad fluya, y un metal, que deja que la electricidad fluya.La revelación de que los sustratos pueden desempeñar un papel activo en los procesos de semiconductores es importante para el diseño de materiales y dispositivos futuros, dijo el líder del estudio Venkatraman Gopalan, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y de física en Penn State.

"Se necesitan nuevas ideas para que la electrónica más pequeña y rápida pueda mantenerse al día con la ley de Moore", dijo Gopalan, autor correspondiente de

el estudiopublicado enMateriales avanzados."Una idea que se está llevando a cabo son los materiales, como el dióxido de vanadio, que pueden cambiar entre los estados metálico (el estado único) y aislante (el estado cero) en una billonésima de segundo. Esto se conoce como experimento de aislamiento metálico.transiciones."

El potencial del dióxido de vanadio como transistor de metal a aislante está bien documentado y el material se considera prometedor para la tecnología de semiconductores debido a su bajo consumo de energía, afirmó Gopalan.Sin embargo, las propiedades del material aún no se comprenden completamente y, hasta ahora, generalmente se ha observado de forma aislada y no mientras funciona en un dispositivo real.

El dióxido de vanadio tiene efectos electrónicos fuertemente correlacionados, lo que significa que la repulsión entre electrones interfiere con el dispositivo, por lo que no se puede ignorar como se hace actualmente en la electrónica basada en silicio.Esta característica puede dar como resultado materiales con funcionalidades novedosas, como superconductividad a alta temperatura y propiedades magnéticas mejoradas.

"La física subyacente de este material se comprende menos, y su rendimiento en la geometría de un dispositivo se comprende aún menos", dijo Gopalan."Si podemos hacerlos funcionar, habrá un renacimiento de la electrónica. En particular, la computación neuromórfica, donde los sistemas informáticos que se inspiran en los cerebros de sistemas vivos con neuronas, podrían beneficiarse seriamente del uso de dichos dispositivos".

El equipo investigó el dióxido de vanadio en un dispositivo en lugar de hacerlo de forma aislada, aplicándole un voltaje para hacerlo cambiar de un estado aislante a uno conductor.Utilizaron la Fuente Avanzada de Fotones (APS) del Laboratorio Nacional Argonne, que utiliza potentes haces de rayos X para estudiar el comportamiento y la estructura de los materiales a nivel atómico.Al mapear la respuesta espacial y temporal del material al evento de conmutación, los investigadores observaron cambios inesperados en la estructura del material y el sustrato.

"Lo que encontramos fue que a medida que la película de dióxido de vanadio se transforma en metal, todo el canal de la película se hincha, lo cual es muy sorprendente", dijo Gopalan."Normalmente se supone que se encoge. Así que claramente estaba sucediendo algo más en la geometría de la película que antes se pasaba por alto".

Los rayos X APS atravesaron la película de dióxido de vanadio y penetraron en el dióxido de titanio (TiO₂) sustrato, que normalmente se considera un material eléctrica y mecánicamente pasivo, sobre el que se desarrolló la película delgada.

"Para nuestra gran sorpresa, descubrimos que este sustrato es muy activo, se mueve y responde de maneras completamente sorprendentes cuando la película cambia de un aislante a un metal y viceversa, cuando llegan los pulsos eléctricos", dijo Gopalan."Esto es como ver la cola moviendo al perro, lo que nos dejó perplejos durante mucho tiempo. Esta observación sorprendente y previamente pasada por alto cambia completamente la forma en que debemos ver esta tecnología".

Para comprender estos hallazgos, el esfuerzo de teoría y simulación, dirigido por Long-Qing Chen, Profesor Hamer de Ciencia e Ingeniería de Materiales, profesor de ciencias de la ingeniería y mecánica y de matemáticas en Penn State, desarrolló un marco teórico para explicar todo el proceso.de la película y el sustrato se abultan en lugar de encogerse.Cuando su modelo incorporó especies faltantes que ocurren naturalmenteátomos de oxígenoen este material de dos tipos, cargado y no cargado, se pudieron explicar satisfactoriamente los resultados experimentales.

"Estas vacantes de oxígeno neutro contienen una carga de dos electrones, que pueden liberar cuando el material cambia de aislante a metal", dijo Gopalan."El vacío de oxígeno que queda ahora se carga y se hincha, lo que provoca la sorprendente hinchazón que se observa en el dispositivo. Esto también puede ocurrir en el sustrato. Todos estosprocesos fisicos"Están bellamente capturados en la teoría del campo de fase y el modelado realizados en este trabajo por primera vez por el posdoctorado Yin Shi en el grupo del profesor Chen".

Gopalan atribuyó el nuevo conocimiento a la experiencia combinada del equipo multidisciplinario en crecimiento de materiales, síntesis, análisis de estructuras y operación de líneas de luz de sincrotrón.Usando unenfoque colaborativoDirigidos por Greg Stone, un científico físico del ejército de EE. UU. y autor principal del experimento, y Yin Chi, académico postdoctoral en Penn State y autor principal de la teoría, los investigadores desenredaron las respuestas del material y las observaron individualmente usando simulaciones de campo de fase, una simulaciónque ayuda a los científicos a comprender los cambios materiales a lo largo del tiempo al representar varios estados de la materia en un entorno virtual.

"Al reunir a estos expertos y aunar nuestros conocimientos sobre el problema, pudimos ir mucho más allá de nuestro ámbito de experiencia individual y descubrir algo nuevo", afirmó Roman Engel-Herbert, director del Instituto Paul Drude de Electrónica de Estado Sólido en Berlín., Alemania, y coautor del estudio cuyo grupo desarrolló estas películas junto con el grupo de Darrell Schlom en la Universidad de Cornell.

"Reconocer el potencial de los materiales funcionales requiere una apreciación de su contexto más amplio, del mismo modo que los desafíos científicos complejos sólo pueden resolverse ampliando nuestras perspectivas individuales".

La colaboración permitió que se produjera una cantidad significativa de progreso en un corto período de tiempo y que se realizara trabajo en un período de tiempo más corto, y aportó una variedad de perspectivas de múltiples disciplinas.

Las respuestas en sí requieren más investigación, dijeron los investigadores, pero creen que comprenderlas ayudará a identificar capacidades previamente desconocidas dedióxido de vanadio, incluidos posibles fenómenos aún por descubrir en el TiO₂sustrato que se consideraba pasivo antes de este estudio.El estudio en sí se desarrolló a lo largo de 10 años, señaló Gopalan, e incluyó la validación de los resultados.

"Esto es lo que se necesita para pasar de una ciencia interesante a un dispositivo que funcione y que puedas sostener en la palma de tu mano", dijo Gopalan."Los experimentos y la teoría son complejos y requieren equipos colaborativos a gran escala que trabajen estrechamente durante un período prolongado de tiempo para resolver problemas difíciles que podrían tener un gran impacto. Esperamos que esto acelere el progreso hacia una nueva generación de dispositivos electrónicos.".