5月26日，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）和加州大學(xué)伯克利分校的一組研究人員在Nature Materials雜志上發(fā)表了題為“在BaTiO 3中實(shí)現(xiàn)超低電壓開關(guān)”（Enabling ultra－low－voltage switching in BaTiO3）的最新研究，展示了一種新型的超薄電容器，該技術(shù)可以用來開發(fā)更加節(jié)能的微芯片。
為現(xiàn)代設(shè)備提供動力的硅基計(jì)算機(jī)芯片需要大量的能量才能運(yùn)行。該研究指出，盡管計(jì)算效率不斷提高，但預(yù)計(jì)到2030年，信息技術(shù)將消耗約25％的天然能源。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，要想降低這種能耗需求，關(guān)鍵在于開發(fā)可以在更低電壓下工作的微電子器件。有一些應(yīng)用于存儲器和邏輯器件的非硅材料，被認(rèn)為擁有有吸引力的特性，或可用于替代目前的硅基器件。但這些非硅材料的常見體積形式，與啟動所需的電壓量與現(xiàn)代電子產(chǎn)品不兼容。如何開發(fā)既能在低工作電壓下表現(xiàn)良好，又能封裝到微電子器件中的薄膜替代品，仍然是一個挑戰(zhàn)。
因此，研究團(tuán)隊(duì)合成了一種已被廣泛了解的材料BaTiO3（鈦酸鋇）的薄膜版本以解決這一問題。
BaTiO3在80多年前首次被發(fā)現(xiàn)，可用于電子電路、超聲波發(fā)生器、換能器甚至聲納的各種電容器。這種材料的晶體對小電場反應(yīng)迅速，即使去除電場，構(gòu)成材料的帶電原子的方向也會以可逆但永久的方式發(fā)生變化。這提供了一種在邏輯和存儲設(shè)備中所需的“0”和“1”狀態(tài)之間切換的方法。但此前，仍然需要大于1000毫伏（mV）的電壓來做到這一點(diǎn)。
為了利用這些特性在微芯片中使用，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種方法，來制造僅25納米薄的BaTiO3 薄膜。
該研究的領(lǐng)頭人加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程教授Lane Martin表示，“我們在大半個世紀(jì)前就知道BaTiO3了，40多年前我們就知道如何用這種材料制作薄膜。但到目前為止，還沒有人能制作出一種與批量生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)或性能相近的薄膜。”
主要的障礙在于，過去的合成嘗試中薄膜含有較高濃度的“缺陷”（即結(jié)構(gòu)與理想材料不同的點(diǎn)）。濃度過高，會對薄膜的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。
研究團(tuán)隊(duì)找到了一種可以限制這些缺陷的薄膜生長方法。他們使用了一種稱為脈沖激光沉積（pulsed－laser deposition）的工藝。向BaTiO3陶瓷靶上發(fā)射一束強(qiáng)大的紫外線激光，使材料轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體，然后將靶材中的原子傳輸?shù)奖砻嫔弦陨L薄膜。通過這個工具，研究人員可以在薄膜生長過程中調(diào)節(jié)許多旋鈕（knobs），觀察哪些對控制屬性最重要。
Martin表示，他們的方法可以精確控制沉積膜的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、厚度以及與金屬電極的接口。在伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造中心的國家電子顯微鏡中心，通過將每個沉積的樣本切成兩半，并使用工具逐個原子觀察其結(jié)構(gòu)，研究人員找到了一個極薄版本，精確模擬了原有結(jié)構(gòu)。
最后，通過在兩個金屬層之間放置一層這樣的BaTiO3薄膜，研究團(tuán)隊(duì)制作出了微型電容器，這種電子元件可以在電路中快速存儲和釋放能量。施加100mV或更低的電壓并測量產(chǎn)生的電流，結(jié)果顯示薄膜的極化轉(zhuǎn)換（polarization switch）在20億分之一秒內(nèi)完成——與當(dāng)今計(jì)算機(jī)訪問內(nèi)存或執(zhí)行計(jì)算所需的速度相比，具有競爭力。
目前常見的技術(shù)通常需要在500到600mV環(huán)境下工作，而薄膜版本只需要50到100mV 或更低的環(huán)境。總之，這些測量結(jié)果證明了電壓和極化穩(wěn)健性（polarization robustness）的成功優(yōu)化，這兩項(xiàng)在薄材料中往往是一組需要權(quán)衡（trade－off）的指標(biāo)。
接下來，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將材料縮小到更薄，使其與計(jì)算機(jī)中的真實(shí)設(shè)備兼容，并研究它在這些微小尺寸下的行為方式。同時，他們將與英特爾等公司者合作，測試第一代電子設(shè)備的可行性。
