Gracias a los avances en microchips, los teléfonos inteligentes actuales son tan potentes que a principios de los años 1990 se habrían considerado supercomputadoras.Pero la creciente ubicuidad de la inteligencia artificial y el Internet de las cosas (la vasta red de dispositivos conectados que han permitido todo, desde redes inteligentes hasta hogares inteligentes) requerirá una nueva generación de microchips que no sólo supere los récords anteriores de miniaturización y rendimiento, sino queTambién son más eficientes energéticamente que las tecnologías actuales.

Como parte de este esfuerzo, los científicos del Berkeley Lab están trabajando para revolucionar el transistor, uno de los componentes fundamentales de los microchips de computadora, para lograr un rendimiento y una eficiencia energética superiores.Trabajo recienteha demostrado la promesa de nuevos materiales de transistores que utilizan una propiedad inusual llamada capacitancia negativa para permitir dispositivos lógicos y de memoria más eficientes.Cuando un material tiene capacitancia negativa, puede almacenar una mayor cantidad de carga eléctrica a voltajes más bajos, lo que es lo contrario de lo que sucede en los materiales capacitivos convencionales.

Ahora, un equipo multidisciplinario de investigadores ha desarrollado una comprensión atomística de los orígenes de la capacitancia negativa, lo que les permite mejorar y personalizar este fenómeno para aplicaciones de dispositivos específicos.El avance fue posible gracias a FerroX, uncódigo abierto, marco de simulación 3D que el equipo diseñó a medida para el estudio de la capacitancia negativa.Su trabajo fuereportadoen el diarioMateriales electrónicos avanzados.

El trabajo representa un hito importante de un proyecto de varios años, "Codiseño de microelectrónica de voltaje ultrabajo más allá de CMOS", cuyo objetivo es diseñar nuevos microchips que puedan funcionar mejor y requerir menos energía que los chips de silicio convencionales.

Si bien no es raro que el desarrollo de materiales esté estrechamente vinculado con las aplicaciones, el enfoque de codiseño de Berkeley Lab para la investigación en microelectrónica, donde la comprensión atomística de las propiedades de los materiales está impulsada e informada por requisitos de dispositivos específicos, estrecha la conexión entre los objetivos de la investigación en todos los aspectos dedesarrollo de dispositivos y se basa en el equipo científico interdisciplinario por el que el laboratorio es famoso con la esperanza de acelerar el camino de la I+D a la comercialización.

"Hay muchas pruebas y errores en la fabricación de nuevos materiales. Es como hacer una nueva receta. Los investigadores normalmente tienen que trabajar días y noches en el laboratorio para cambiar esa receta. Pero con nuestra herramienta de modelado, FerroX, puedes usar tupropia computadora para apuntar a parámetros específicos que pueden afectar el desempeño del efecto de capacitancia negativa", dijo Zhi (Jackie) Yao, científico investigador de la División de Investigación Computacional y Matemáticas Aplicadas del Laboratorio de Berkeley y autor principal del estudio.

Yao y el primer autor Prabhat Kumar, académico postdoctoral en la División de Investigación Computacional y Matemáticas Aplicadas, codirigieron el desarrollo de FerroX para el proyecto de codiseño de microelectrónica.

Descubriendo los orígenes atomísticos de la capacitancia negativa

En 2008, el coautor Sayeef Salahuddin, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias informáticas en UC Berkeley y científico senior de la facultad de la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley, propuso por primera vez el concepto de capacitancia negativa para demostrar un nuevo enfoque para diseñar computadoras energéticamente eficientes.

La capacitancia negativa suele aparecer en materiales con propiedades ferroeléctricas.Los materiales ferroeléctricos son prometedores como memorias de computadora energéticamente eficientes porque su polarización eléctrica incorporada puede usarse para almacenar datos, por ejemplo, que pueden escribirse y borrarse usando un campo eléctrico de baja potencia.

En los años posteriores a la propuesta pionera de Salahuddin, los investigadores descubrieron que el efecto de capacitancia negativa en películas delgadas de óxido ferroeléctrico de hafnio y óxido de circonio (HfO₂-ZrO₂) ocurre cuando las películas están compuestas por una mezcla de fases.

Eso significa que pequeñas regiones o "granos" de la película tienen disposiciones de átomos o "fases" ligeramente diferentes.El tamaño de estos granos de fase es diminuto (solo unos pocos nanómetros de ancho), pero las diferentes fases tienen propiedades electrónicas distintas que pueden interactuar entre sí y dar lugar a fenómenos macroscópicos como la capacitancia negativa.

El grupo Salahuddin ya ha utilizado este fenómeno para producir microcondensadores que batieron récords, pero para desbloquear todo el potencial de la capacitancia negativa, los investigadores necesitaban una comprensión más profunda de sus orígenes atomísticos.

Para ello, un equipo multidisciplinario codirigido por Yao y Kumar desarrolló FerroX.El marco de código abierto les permitió desarrollar simulaciones de campo de fase en 3D de una película delgada ferroeléctrica, en las que podían variar la composición de la fase a voluntad y estudiar los impactos en las propiedades electrónicas de la película.

"Nuestro objetivo era comprender el origen de la capacitancia negativa en estas películas, algo que no se comprende bien", dijo Kumar."Nuestras simulaciones son las primeras que ayudan a los investigadores a adaptar las propiedades de un material para lograr mejoras adicionales en la capacitancia negativa observada en el laboratorio".

Como resultado, los investigadores del Laboratorio de Berkeley descubrieron que el efecto de capacitancia negativa se puede mejorar optimizando la estructura del dominio, reduciendo el tamaño de los granos ferroeléctricos y disponiéndolos para que tengan una dirección particular de polarización ferroeléctrica.

"Este enfoque para mejorar la capacitancia negativa era desconocido antes de nuestro estudio porque los modelos anteriores carecían de la escalabilidad para explorar fácilmente el espacio de diseño y carecían de personalización física", dijo Yao.

Yao atribuye esta nueva capacidad de modelado al trabajo de primera mano con científicos de materiales como Salahuddin, quien ayudó al equipo de desarrollo de FerroX a comprender cómo dar forma a sus modelos en torno a la física de los ferroeléctricos, y a las fortalezas multidisciplinarias únicas del Laboratorio de Berkeley, donde trabajan investigadores de todas las disciplinas científicas.muy cerca de la supercomputadora Perlmutter en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) del Departamento de Energía.

Perlmutter admite experimentos complejos de simulación, análisis de datos e inteligencia artificial que requieren múltiples unidades de procesamiento de gráficos (GPU) a la vez.Yao, Kumar y su equipo confiaron en gran medida en Perlmutter para desarrollar FerroX, que ahora está disponible para otros investigadores como un marco de código abierto portátil desde computadoras portátiles hasta supercomputadoras.

"Es emocionante que FerroX pueda ayudar a una comunidad tan amplia de investigadores en el mundo académico, la industria y los laboratorios nacionales", afirmó Yao.

Si bien los modelos de FerroX en el estudio actual simulan el origen de la capacitancia negativa a medida que evoluciona en la puerta del transistor, el equipo del Laboratorio de Berkeley planea utilizar el marco de código abierto para simular todo el transistor en estudios futuros.

"A lo largo de los años, hemos logrado avances significativos tanto en la física de la capacitancia negativa como en la integración de esa física en dispositivos microelectrónicos reales", dijo Salahuddin."Con FerroX, ahora podemos modelar estos dispositivos a partir de átomos, y eso nos permitirá diseñar dispositivos microelectrónicos con valores negativos óptimos.capacidadactuación.Esto no habría sido posible sin la fuerza de este grupo de investigadores de codiseño que abarca ciencias de la computación y las ciencias de los materiales".

Más información:Prabhat Kumar et al, Simulaciones de campo de fase ferroeléctrica en 3D de películas ultrafinas policristalinas multifase basadas en Hafnia y Zirconia,Materiales electrónicos avanzados(2024).DOI: 10.1002/aelm.202400085