新しい研究は、コンピューターチップの設計で一般的に見落とされがちな材料が、実は情報処理において重要な役割を果たしているということを示唆しており、この発見はより高速でより効率的なエレクトロニクスにつながる可能性がある。

ペンシルベニア州立大学の研究者が率いる国際チームは、高度なイメージング技術を使用して、半導体チップデバイスを構築する基板と呼ばれる材料が、その上の半導体と同じように電気の変化に反応することを発見した。

研究者らは、電子スイッチとして大きな可能性を示す半導体材料である二酸化バナジウムを研究した。彼らはまた、二酸化バナジウムが基板材料の二酸化チタンとどのように相互作用するかを研究し、基板内に二酸化バナジウムと同様に動作する活性層があるようであることを発見して驚いたと述べた。半導体材料その上で、半導体が電気を流さない絶縁体と電気を流す金属の間で切り替わります。基板が半導体プロセスにおいて積極的な役割を果たすことができるという新事実は、将来の材料やデバイスの設計にとって重要であると、研究を主導したペンシルベニア州立大学の材料科学および工学および物理学の教授であるベンカトラマン・ゴパラン氏は述べた。

「ムーアの法則に従うためには、より小型でより高速なエレクトロニクスには新しいアイデアが必要です」と、この本の責任著者であるゴパラン氏は述べています。

研究に掲載されました先端材料。「追求されているアイデアの1つは、二酸化バナジウムなどの材料で、金属（1の状態）と絶縁体（ゼロの状態）の間を1兆分の1秒で切り替えることができる。これは金属-絶縁体の変化として知られている」トランジション。」

金属対絶縁体トランジスタとしての二酸化バナジウムの可能性は十分に文書化されており、この材料はエネルギー消費が低いため、半導体技術に有望であると考えられているとゴパラン氏は述べた。しかし、この材料の特性はまだ完全には理解されておらず、これまでは通常、実際のデバイスで機能している間ではなく、単独で観察されてきました。

二酸化バナジウムには強い相関のある電子効果があり、電子間の反発がデバイスに干渉するため、現在シリコンベースのエレクトロニクスで行われているように無視できません。この特性により、高温超伝導や磁気特性の強化などの新しい機能を備えた材料が得られます。

「この材料の基礎となる物理学はあまり理解されておらず、デバイスの形状におけるその性能はさらによく理解されていません」とゴパラン氏は述べた。「それらを機能させることができれば、エレクトロニクスの分野でルネサンスが起こるでしょう。特に、ニューロンを備えた生命システムの脳からインスピレーションを得たコンピューターシステムであるニューロモーフィックコンピューティングは、そのようなデバイスを使用することで大きな恩恵を受ける可能性があります。」

研究チームは、二酸化バナジウムを単独ではなくデバイス内で調査し、デバイスに電圧を印加して絶縁状態から導電状態に切り替えました。彼らは、強力な X 線ビームを使用して材料の挙動と構造を原子レベルで研究するアルゴンヌ国立研究所の高度光子源 (APS) を使用しました。スイッチング イベントに対する材料の空間的および時間的応答をマッピングする際、研究者らは材料と基板の構造に予想外の変化が生じることを観察しました。

「私たちが発見したのは、二酸化バナジウム膜が金属に変化すると、膜チャネル全体が膨らむということでした。これは非常に驚くべきことです」とゴパラン氏は語った。「通常、フィルムは縮小するはずです。つまり、以前は見逃されていた何か別のことがフィルムのジオメトリで起こっていたことは明らかです。」

APS X 線は二酸化バナジウム膜を透過し、二酸化チタン (TiO2) に到達しました。₂) 基板 - 通常、電気的および機械的に受動的な材料と考えられており、その上に薄膜が成長します。

「非常に驚いたことに、この基板は非常に活性で、電気パルスが到着するとフィルムが絶縁体から金属に切り替わり、またその逆に切り替わる際に、まったく驚くべき方法で振動し、反応することがわかりました」とゴパラン氏は述べた。「これは、犬が尻尾を振るのを見ているようなもので、私たちは長い間困惑していました。この驚くべき、これまで見過ごされてきた観察は、このテクノロジーに対する私たちの見方を完全に変えました。」

これらの発見を理解するために、ペンシルベニア州立大学の工学科学と力学および数学の教授である材料科学および工学のハマー教授、Long-Qing Chen が主導する理論とシミュレーションの取り組みにより、プロセス全体を説明する理論的枠組みが開発されました。フィルムと基板が縮むのではなく膨らむ。彼らのモデルに自然に発生する欠損が組み込まれたとき酸素原子この帯電と非帯電の２種類の材料では、実験結果を十分に説明することができた。

「これらの中性酸素空孔は2つの電子の電荷を保持しており、材料が絶縁体から金属に切り替わるときに電子を放出することができます」とゴパラン氏は述べた。「後に残された酸素空孔が帯電して膨張し、デバイス内で観察される驚くべき膨張につながります。これは基板でも発生する可能性があります。これらすべて物理的プロセスこれらは、チェン教授のグループの博士研究員イン・シーによってこの研究で初めて実行された位相場理論とモデリングで美しく捉えられています。」

ゴパラン氏は、材料成長、合成、構造解析、シンクロトロンビームライン運用における学際的な専門知識を組み合わせたチームが新たな理解をもたらしたと評価した。を使用して協力的なアプローチ米陸軍の物理学者で実験の筆頭著者であるグレッグ・ストーンと、ペンシルバニア州立大学の博士研究員で理論の筆頭著者であるイン・チーが率いる研究者らは、材料の応答を解きほぐし、位相場シミュレーションを使用して材料の応答を個別に観察しました。これは、仮想環境で物質のさまざまな状態を描写することで、科学者が時間の経過に伴う物質の変化を理解するのに役立ちます。

「これらの専門家を集め、問題についての理解を共有することで、私たちは個々の専門知識の範囲をはるかに超えて、何か新しいことを発見することができました」とベルリンのポール・ドルーデ固体電子研究所所長、ローマン・エンゲル・ハーバート氏は述べた。、ドイツの研究者の共同著者であり、そのグループはコーネル大学のダレル・シュロムのグループとともにこれらの映画を成長させました。

「複雑な科学的課題が私たち個人の視野を広げることによってのみ解決できるのと同じように、機能性材料の可能性を認識するには、そのより広い文脈を理解する必要があります。」

このコラボレーションにより、短期間での大幅な進歩と短期間での作業の両方が可能になり、複数の分野からのさまざまな視点がもたらされました。

研究者らは、応答そのものについてはさらなる調査が必要だが、応答を理解することでこれまで知られていなかった能力を特定するのに役立つと考えていると述べた。二酸化バナジウムTiO における潜在的な未発見の現象を含む₂この研究以前は受動的であると考えられていた基板。研究自体は、結果の検証も含めて10年以上にわたって展開されたとゴパラン氏は述べた。

「興味深い科学から、手のひらに収まる実用的な装置に至るには、これが必要なのです」とゴパラン氏は語った。「実験と理論は複雑であり、大きな影響を与える可能性のある困難な問題を解決するには、大規模な協力チームが長期間にわたって緊密に連携する必要があります。これにより、新世代の電子デバイスに向けた進歩が加速することを期待し、期待しています」。」