(Phys.org) —A medida que la microelectrónica se vuelve cada vez más pequeña, Uno de los mayores desafíos para empaquetar un teléfono inteligente o tableta con la máxima potencia de procesamiento y memoria es la cantidad de calor generado por los diminutos "interruptores" en el corazón del dispositivo.

Una película compleja de óxido metálico, diseñada por IBM y la Universidad de Texas, Investigadores de Austin (UTA), y probado en IBM, la fuente de luz sincrotrón nacional (NSLS) en el laboratorio nacional de Brookhaven, y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL):podrían ayudar a reducir el voltaje requerido para cambiar las señales electrónicas, y por lo tanto la energía excesiva que requieren. Su investigación se publica en la edición de octubre de Nanotecnología de la naturaleza .

"Este proyecto es para desarrollar películas que nos permitan disminuir el voltaje necesario para hacer que el interruptor se mueva en un nanotransistor, "dijo Jean Jordan-Sweet, investigador de IBM en NSLS. "El énfasis está en tratar de incorporar ferroeléctricos en los dispositivos basados ​​en silicio estándar de la industria para aumentar el rendimiento y reducir la necesidad de más voltaje".

Un equipo de investigadores, dirigido por la investigadora de IBM Catherine Dubourdieu del Centro Nacional Francés de Investigación Científica, fue capaz de cambiar la polarización ferroeléctrica de estas películas sin el uso de un electrodo inferior conductor, lo que podría permitir dispositivos más pequeños que maximicen la salida sin exceso de calor.

Para hacer esto, los investigadores de la UTA cultivaron una película de titanato de bario sobre una base de silicio usando epitaxia de haz molecular, método que deposita una capa cristalina en registro con un sustrato monocristalino. Gracias a la microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica realizada en ORNL, el equipo determinó que el material resultante era ferroeléctrico, lo que significa que tiene una polarización eléctrica que se puede invertir cuando se aplica un campo eléctrico externo. Esto es útil no solo para dispositivos lógicos de baja potencia sino también para memorias no volátiles.

"Estas películas ferroeléctricas pueden cambiar, y una vez que se cambian, son estables a temperatura ambiente; además, puede hacer estas cosas en una nanoescala realmente pequeña y hay muchas formas de incorporarlas en dispositivos microelectrónicos, "Dijo Jordan-Sweet.

Hacer crecer la película sobre silicio requiere delicadeza. Las estructuras cristalinas del titanato de bario y el silicio no se alinean exactamente, por lo que es un poco como intentar que las pelotas de tenis quepan en un cartón de huevos. Son demasiado grandes para las depresiones por lo tanto, se debe agregar una capa tampón para garantizar que se realice un buen registro entre las dos sustancias. En este caso, Se usó titanato de estroncio porque su tamaño de unidad de cristal está entre el de silicio y el titanato de bario, lo que permite una realineación gradual de la estructura cristalina en la película.

Una vez que las películas se cultivaron con éxito, Dubourdieu y Jordan-Sweet utilizaron la línea de luz X20A en NSLS para realizar pruebas de difracción de rayos X para caracterizar la tetragonalidad, o la "falta de cuadratura" de la estructura cristalina, dentro de la película. Descubrieron que la capa amortiguadora inducía la estructura correcta en el titanato de bario de modo que las unidades de cristal tetragonales, y así la polarización eléctrica, apuntado en la dirección correcta para hacer buenos transistores.

Usando microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, el equipo descubrió que podían producir conmutación ferroeléctrica dentro de películas de 8 a 40 nanómetros de espesor, aunque un grosor de solo 10 nanómetros era lo mejor para garantizar que la polaridad a lo largo de la película se distribuyera uniformemente.