«Удивительная» скрытая активность полупроводникового материала, обнаруженного исследователями

A) Схема установки рентгеновских визуализации в Opoperando Synchrotron рентгеновских лучей на линии луча.б) напряжение в зависимости от времени импульса приложенного напряжения (красная кривая) и падение напряжения на серии резисторов (синяя кривая).в) сдвиги с разрешением по времени в пике Брэгга во время IMT в направлении x и в плоскости Y-Z под углом ≈26 ° к оси Y показывает, что пленка в канале временно выпуклости в середине внутри1–2 мкс после IMT с последующим расслаблением выпуклости в более длительном масштабе.Третий ряд показывает расширение дисперсии.D) Схема искажения решетки по каналу VO2, выведенная из визуализации на панели c.Кредит: передовые материалы (2024).Doi: 10.1002/adma.202312673

Новое исследование показывает, что материалы, обычно упускаемые в дизайне компьютерных чипов, фактически играют важную роль в обработке информации, обнаружение, которое может привести к более быстрой и более эффективной электронике.

Используя передовые методы визуализации, международная команда, возглавляемая исследователями Penn State, обнаружила, что материал, на котором строится полупроводниковое устройство, называется подложкой, реагирует на изменения в электричестве, очень похожие на полупроводник на нем.

Исследователи работали с полупроводниковым материалом, диоксидом ванадия, который, по их словам, демонстрирует большой потенциал в качестве электронного переключателя.Они также изучили, как диоксид ванадия взаимодействует с диоксидом титана субстрата, и сказали, что они были удивлены, обнаружив, что, по -видимому, существует активный слой в субстрате, который ведет себя аналогично полупроводниковому материалу поверх него, когда полупроводник переключается между изолятором.Не позволяя электроэнергетике - и металл - не позволяющий электроэнергию.

Откровение о том, что субстраты могут играть активную роль в полупроводниковых процессах, является значительным для разработки будущих материалов и устройств, говорится в лидере исследования Венкатраман Гопалан, профессор материаловедения и инженерии, а также физики в штате Пенсильвания.

«Новые идеи необходимы для меньшей и более высокой электроники, чтобы не отставать от закона Мура», - сказал Гопалан, соответствующий автор исследования, опубликованного в передовых материалах.«Одна идея, которую преследуют,-это материалы, такие как диоксид ванадия, которые могут переключаться между металлом-единственным состоянием-и изолятором-нулевым состоянием-на триллионном секунде.

По словам Гопалана, потенциал диоксида ванадия в качестве транзистора с металлом до неработающих, и материал считается перспективным для полупроводниковых технологий из-за его низкого потребления энергии.Тем не менее, свойства материала до сих пор не до конца понятны, и до сих пор он обычно наблюдался в изоляции, а не во время функционирования в реальном устройстве.

Диоксид ванадия сильно коррелировал электронные эффекты, что означает, что отталкивание между электронами мешает устройству, поэтому его нельзя игнорировать, как это в настоящее время сделано в электронике на основе кремния.Эта характеристика может привести к материалам с новыми функциональными возможностями, такими как высокотемпературная сверхпроводимость и повышенные магнитные свойства.

«Основная физика этого материала менее понятна, и его производительность в геометрии устройства еще меньше понята», - сказал Гопалан.«Если мы сможем заставить их работать, в электронике будет эпохи Возрождения. В частности, нейроморфные вычисления - где компьютерные системы, которые черпают вдохновение из мозга живых систем с нейронами - могут серьезно принести пользу с помощью таких устройств».

Команда исследовала диоксид ванадия в устройстве, а не в изоляции, применив к нему напряжение, чтобы он переключился с изоляции на состояние проводящего.Они использовали усовершенствованный источник фотонов (APS) в Аргоннской национальной лаборатории, которая использует мощные рентгеновские лучи для изучения поведения и структуры материалов на атомном уровне.При картировании пространственного и временного отклика материала на событие переключения исследователи наблюдали неожиданные изменения в структуре материала и субстрата.

«Мы обнаружили, что, поскольку пленка диоксида ванадия меняется на металл, все выпуклости канала фильма, что очень удивительно», - сказал Гопалан.«Обычно это должно сжиматься. Так ясно, что в геометрии фильма происходило что -то еще, что было пропущено раньше».

Рентген APS проникал через пленку диоксида ванадия и в субстрат диоксида титана (TIO2), который обычно считается электрически и механическим пассивным материалом, который выращивал тонкую пленку.

«Мы обнаружили, что наш большой сюрприз, что этот субстрат очень активен, JIVE и реагирует совершенно удивительно, когда пленка переключается с изолятора на металл и обратно, когда появляются электрические импульсы», - сказал Гопалан.«Это все равно, что наблюдать за тем, как хвост виляет собаку, которая долго нас озадачивала. Это удивительное и ранее упущенное наблюдение полностью меняет то, как нам нужно просмотреть эту технологию».

Чтобы понять эти выводы, теорию и симуляционные усилия, возглавляемые давним ценом Чэнь, профессором материаловедения и инженерии Хамера, профессором инженерных наук и механиков и математики в штате Пенсильвания, разработал теоретическую основу для объяснения всего процессаФильм и подложка выпукают вместо того, чтобы сокращаться.Когда их модель включала в себя природные атомы кислорода в этом материале из двух типов, заряженных и не заряженных, экспериментальные результаты можно было бы удовлетворительно объяснить.

«Эти нейтральные кислородные вакансии содержат заряд двух электронов, которые они могут высвобождать, когда материал переключается с изолятора на металл», - сказал Гопалан.«Оставленная позади, в настоящее время заряжается и набухает кислородная вакансия, что приводит к наблюдаемому удивительному набуханию в устройстве. Это также может произойти в субстрате. Все эти физические процессы прекрасно запечатлены в теории фазового поля и моделировании, выполненных в этомВпервые работайте постдоком Инь Ши в группе профессора Чена ».

Гопалан приписывал комбинированную экспертизу междисциплинарной команды в области роста материала, синтеза, анализа структуры и работы синхротронной линии луча с новым пониманием.Используя совместный подход, возглавляемый Грегом Стоуном, физическим ученым из армии США и ведущего экспериментального автора, и Инь Чи, постдокторского ученого в штате Пенн и автора теории ведущих, исследователей распутали ответы материала и наблюдали их индивидуально, используя фазовое полеМоделирование, симуляция, которое помогает ученым понять материальные изменения с течением времени, изображая различные состояния вещества в виртуальной обстановке.

«Объединяя этих экспертов и объединив наше понимание проблемы, мы смогли выходить далеко за рамки нашего индивидуального опыта и открыть что-то новое»,-сказал Роман Энгель-Херберт, директор Института твердой государственной электроники Пола Друде в Берлине в Берлине, Германия, и соавтор исследования, чья группа увеличила эти фильмы вместе с группой Даррелла Шлома в Корнелльском университете.

«Признание потенциала функциональных материалов требует оценки их более широкого контекста, так же как сложные научные проблемы могут быть решены только путем расширения наших индивидуальных перспектив».

Сотрудничество позволило добиться значительного прогресса в течение короткого периода времени, так и работы, которая будет выполнена за более короткий период времени, и привнести различные перспективы из нескольких дисциплин.

Сами ответы требуют дальнейшего изучения, по словам исследователей, но они считают, что понимание их поможет в выявлении ранее неизвестных возможностей диоксида ванадия, включая потенциальные еще не обнаруженные явления в субстрате TIO2, которые считались пассивными перед этим исследованием.Само исследование развернулось в течение 10 лет, отметил Гопалан, включая проверку результатов.

«Это то, что нужно, чтобы перейти от интересной науки на рабочее устройство, которое вы можете держать на ладони», - сказал Гопалан.«Эксперименты и теория являются сложными и требуют крупномасштабных совместных групп, тесно сотрудничающих в течение длительного периода времени, чтобы решить сложные проблемы, которые могут оказать большое влияние. Мы надеемся и ожидаем, что это ускорит прогресс в направлении нового поколения электронных устройств.. ”

Больше информации: Грег Стоун и др., Пространственная визуализация в Operando связанной пленки -субстратной эластодинамики во время перехода изолятора в металлах, передовых материалов (2024).Doi: 10.1002/adma.202312673