Lượng năng lượng được sử dụng để tính toán đang tăng theo cấp số nhân. Công ty tư vấn và tình báo kinh doanh Enerdata báo cáo rằng thông tin, truyền thông và công nghệ chiếm từ 5% đến 9% tổng lượng điện tiêu thụ trên toàn thế giới.
Nếu tốc độ tăng trưởng tiếp tục không suy giảm, điện toán có thể yêu cầu tới 20% sản lượng điện của thế giới vào năm 2030. Với lưới điện đã bị căng thẳng do các sự kiện liên quan đến thời tiết và nền kinh tế đang chuyển đổi từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng tái tạo, các kỹ sư rất cần phải làm phẳng đường cong nhu cầu năng lượng của điện toán.
>> Tham khảo: Mạch in có thể hoạt động trên vải, nhựa và thậm chí cả trái cây.
Các thành viên của nhóm phim mỏng đa chức năng của Jon Ihlefeld đang làm phần việc của họ. Họ đang nghiên cứu một hệ thống vật liệu cho phép ngành công nghiệp bán dẫn cùng định vị tính toán và bộ nhớ trên một con chip.
Ihlefeld, phó giáo sư về khoa học và kỹ thuật vật liệu, kỹ thuật điện và máy tính tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng của Đại học Virginia cho biết: “Hiện tại chúng tôi có một con chip máy tính thực hiện các hoạt động điện toán với một ít bộ nhớ trên đó.
Mỗi khi chip máy tính muốn nói chuyện với bộ nhớ, ngân hàng bộ nhớ lớn hơn, nó sẽ gửi một tín hiệu xuống đường dây và yêu cầu năng lượng. Khoảng cách càng dài thì càng tốn nhiều năng lượng. Ngày nay khoảng cách có thể khá xa — lên đến vài cm.
Ihlefeld nói: “Trong một thế giới hoàn hảo, chúng ta sẽ khiến chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau.
Điều đó đòi hỏi vật liệu bộ nhớ tương thích với phần còn lại của mạch tích hợp. Một loại vật liệu phù hợp cho các thiết bị bộ nhớ là sắt điện, nghĩa là chúng có thể giữ và giải phóng điện tích theo yêu cầu. Tuy nhiên, hầu hết các chất sắt điện không tương thích với silicon và không hoạt động tốt khi được chế tạo rất nhỏ, một điều cần thiết cho các thiết bị thu nhỏ hiện đại và tương lai.
Các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Ihlefeld đang chơi trò mai mối. Nghiên cứu của họ cải tiến các vật liệu có đặc tính điện và quang giúp khả thi cho tính toán và truyền thông hiện đại, một thế mạnh nghiên cứu của Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu.
>> Tham khảo: Lắng nghe người dân để xây dựng một hệ thống năng lượng tương lai bền vững hơn.
Họ cũng chuyên về chế tạo và mô tả đặc tính của nhiều loại vật liệu, một thế mạnh nghiên cứu của Khoa Kỹ thuật Điện và Máy tính Charles L. Brown.
Vật liệu mà họ quan tâm là hafni oxit, được sử dụng trong sản xuất điện thoại di động và máy tính ngày nay. Nhược điểm là ở trạng thái tự nhiên, hafnium oxit không phải là chất sắt điện.
Một mẹo về giới hạn đối với Shelby Fields
Trong 11 năm qua, người ta đã biết rằng các nguyên tử của oxit hafnium có thể được điều khiển để tạo ra và giữ pha hoặc cấu trúc sắt điện.
Khi một màng mỏng oxit hafnium được nung nóng, một quá trình được gọi là ủ, các nguyên tử của nó có thể di chuyển vào dạng tinh thể của vật liệu sắt điện; khi màng mỏng được làm lạnh, cấu trúc tinh thể của nó sẽ cố định.
Tại sao sự hình thành pha sắt điện lại xảy ra là chủ đề của nhiều suy đoán. Shelby Fields, người đã lấy bằng Tiến sĩ trong khoa học vật liệu kỹ thuật từ UVA năm nay, đã công bố một nghiên cứu mang tính bước ngoặt để giải thích cách thức và lý do hafnium oxit hình thành trong giai đoạn sắt điện hữu ích của nó.
Bài báo của Fields, Nguồn gốc của quá trình ổn định pha sắt điện thông qua hiệu ứng kẹp trong màng mỏng ôxít hafnium zirconium ôxit sắt điện, được xuất bản vào tháng 8 trên tạp chí Advanced Electronic Materials, minh họa cách ổn định màng mỏng dựa trên ôxít hafni khi nó được kẹp giữa một chất nền kim loại và một điện cực.
Nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra rằng nhiều màng ổn định hơn trong pha tinh thể sắt điện khi điện cực trên cùng được đặt để ủ nhiệt và làm mát.
Fields nói: “Cộng đồng có đủ loại lời giải thích cho lý do tại sao lại như vậy, và hóa ra chúng tôi đã sai. “Chúng tôi nghĩ rằng điện cực trên cùng tạo ra một loại ứng suất cơ học nào đó, tỏa ra theo chiều ngang qua mặt phẳng của điện cực, ngăn không cho ôxít hafnium kéo dài ra và trở về trạng thái tự nhiên, phi sắt điện của nó. Nghiên cứu của tôi cho thấy rằng ứng suất cơ học sẽ biến mất của mặt phẳng; điện cực có tác dụng kẹp.”
Toàn bộ bánh sandwich — chất nền, màng mỏng và điện cực — là một tụ điện, và phát hiện này rất có thể làm thay đổi vật liệu mà các nhà sản xuất chất bán dẫn chọn làm điện cực.
“Bây giờ chúng tôi đã hiểu tại sao lớp trên cùng lại là một yếu tố quan trọng cần xem xét. Cuối cùng, những người muốn tích hợp máy tính và bộ nhớ trên một con chip sẽ phải suy nghĩ về tất cả các bước xử lý cẩn thận hơn”, Fields cho biết.
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu phát hiện ra bờ biển của Israel bị ô nhiễm hơn hai tấn vi nhựa.
Bài báo của Fields tóm tắt chương kết thúc nghiên cứu luận văn của ông. Trong nghiên cứu được công bố trước đây, Fields đã chứng minh các kỹ thuật đo màng rất mỏng và ứng suất cơ học; các vật liệu cực nhỏ làm cho các phép đo ứng suất trở nên khó khăn về mặt thực nghiệm.
Những người đóng góp trong nghiên cứu hợp tác này bao gồm các thành viên nhóm Samantha Jaszewski, Ale Salanova và Takanori Mimura cũng như Wesley Cai và Brian Sheldon từ Đại học Brown, David Henry từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia, Kyle Kelley từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge và Helge Heinrich từ Vật liệu nano của UVA.
Cơ sở đặc trưng. Tài trợ được trao thông qua Trung tâm nghiên cứu biên giới năng lượng vi điện tử sắt 3D của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Tập đoàn nghiên cứu chất bán dẫn đã hỗ trợ nghiên cứu.
Fields cho biết: “Chúng tôi muốn vượt ra ngoài những mô tả mang tính giai thoại và cung cấp dữ liệu để hỗ trợ cho đặc tính của chúng tôi về hành vi của vật liệu. “Tôi rất vui vì chúng tôi có thể cung cấp cho cộng đồng thông tin rõ ràng hơn về hiệu ứng kẹp này.
Chúng tôi biết lớp trên cùng rất quan trọng và chúng tôi có thể thiết kế lớp trên cùng đó để cải thiện hiệu ứng kẹp và có lẽ thiết kế lớp dưới cùng để hỗ trợ hiệu ứng này, cũng vậy. Khả năng tận dụng một biến thử nghiệm duy nhất để kiểm soát pha tinh thể sẽ là một lợi thế rất lớn cho lĩnh vực bán dẫn. Tôi rất muốn ai đó hỏi và trả lời câu hỏi đó.”
O Đánh dấu vị trí
Ai đó có thể là Samantha Jaszewski, tiến sĩ. sinh viên ngành khoa học và kỹ thuật vật liệu và là thành viên của nhóm nghiên cứu Màng mỏng đa chức năng của Ihlefeld. Jaszewski cũng muốn hiểu điều gì góp phần vào sự ổn định của pha sắt điện của oxit hafnium và cách các nhà thiết kế chip có thể kiểm soát hành vi của vật liệu.
Nghiên cứu của Jaszewski tập trung vào cấu tạo nguyên tử của hafnium oxit trong pha tự nhiên và sắt điện của nó, đặc biệt chú ý đến vai trò của các nguyên tử oxi.
Nghiên cứu mang tính bước ngoặt của cô ấy, Tác động của hàm lượng oxy đối với cấu tạo pha và hành vi sắt điện của màng mỏng oxit hafnium lắng đọng bằng phương pháp phún xạ Magnetron xung công suất cao phản ứng, được xuất bản trong số tháng 10 năm 2022 của tạp chí Acta Materialia.
Oxit hafnium, như tên cho thấy, bao gồm các nguyên tử hafnium và oxy. Jaszewski nói: “Đôi khi chúng ta thiếu những nguyên tử oxy đó ở một số vị trí nhất định và điều đó giúp ổn định pha sắt điện.
Trạng thái phi sắt điện tự nhiên có thể chịu được một số chỗ trống oxy này, nhưng không nhiều như mức cần thiết để ổn định pha sắt điện. Nồng độ và vị trí chính xác của các chỗ trống oxy tạo ra chất sắt điện hafni oxit đã được chứng minh là khó nắm bắt vì không có nhiều công cụ để thực hiện phép đo chính xác.
Jaszewski đã giải quyết vấn đề đó bằng cách sử dụng một số kỹ thuật khác nhau để đo các chỗ trống oxy trong màng mỏng của nhóm và tương quan điều đó với các đặc tính sắt điện. Bà phát hiện ra rằng pha sắt điện cần số lượng ô-xy trống cao hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.
Quang phổ quang điện tử tia X là công cụ cần thiết để tính toán nồng độ chỗ trống oxy. Jaszewski đã phát hiện ra rằng có những yếu tố góp phần nằm ngoài những gì người dùng kỹ thuật quang phổ này thường đo lường, dẫn đến việc đếm thiếu rất nhiều chỗ trống oxy.
Các thí nghiệm của Jaszewski cũng tiết lộ rằng các khoảng trống oxy có thể là một trong những thông số quan trọng nhất để ổn định pha sắt điện của vật liệu. Cần phải nghiên cứu thêm để hiểu làm thế nào các vị trí tuyển dụng tồn tại. Cô ấy cũng muốn các nhóm nghiên cứu khác đo lượng oxy còn trống bằng phương pháp của cô ấy để xác thực những phát hiện của cô ấy.
>> Tham khảo: Cơ chế tế bào giải thích sự khác biệt trong sinh học loài và giúp chúng ta hiểu sự tiến hóa của chúng.
Nghiên cứu của Jaszewski đã đảo ngược sự hiểu biết thông thường vốn cho rằng kích thước của tinh thể – được gọi là hạt – là yếu tố giúp ổn định oxit hafnium. Jaszewski đã tạo ra ba mẫu với kích thước hạt bằng nhau và nồng độ trống oxy khác nhau. Nghiên cứu của cô cho thấy các pha có trong các mẫu này khác nhau, dẫn đến kết luận rằng nồng độ oxy trống quan trọng hơn kích thước hạt.
Jaszewski là tác giả đầu tiên của bài báo, được đồng tác giả bởi các thành viên nhóm Fields và Salanova với các cộng tác viên trong nhiều nhóm nghiên cứu trong và ngoài UVA. Nghiên cứu của Jaszewski được tài trợ bởi học bổng nghiên cứu sau đại học của Quỹ Khoa học Quốc gia và Tập đoàn Nghiên cứu Chất bán dẫn.
Jaszewski đang đào sâu nghiên cứu của mình về oxit hafnium để giải thích phản ứng của vật liệu đối với ứng dụng của điện trường. Trong ngành công nghiệp bán dẫn, hiện tượng này được gọi là thức dậy và mệt mỏi.
“Khi bạn đặt một điện trường lên vật liệu này, tính chất sắt điện tăng lên, hay còn gọi là ‘đánh thức’. Khi bạn tiếp tục áp dụng điện trường, các đặc tính sắt điện sẽ suy giảm, trong một quá trình được gọi là mỏi,” Jaszewski nói.
Cô đã phát hiện ra rằng khi một điện trường ban đầu được áp dụng, nó sẽ tăng cường cấu trúc sắt điện, nhưng hiệu quả thu được giảm dần.
Jaszewski nói: “Khi bạn tiếp tục áp dụng trường này, các đặc tính sắt điện sẽ suy giảm.
Bước tiếp theo là điều tra xem vũ đạo của các nguyên tử oxy trong vật liệu góp phần làm thức giấc và mệt mỏi như thế nào, điều này đòi hỏi nghiên cứu về vị trí của các vị trí trống một cách linh hoạt.
Ihlefeld cho biết: “Những nghiên cứu mang tính bước ngoặt này giải thích tại sao oxit hafnium sắt điện tồn tại và cách nó ổn định. “Dựa trên những phát hiện mới này, chúng tôi có thể chế tạo các màng mỏng oxit hafni thậm chí còn ổn định hơn và hoạt động tốt hơn nữa trong ứng dụng thực tế. Bằng cách thực hiện nghiên cứu cơ bản này, chúng tôi có thể giúp các công ty bán dẫn hiểu được nguồn gốc của các vấn đề và cách ngăn chặn chúng trong tương lai dây chuyền sản xuất.”
