Forscher haben festgestellt, dass beginnende Ferroelektrizität den Computerspeicher revolutionieren und ultra-niedrige Stromversorgungsgeräte ermöglichen kann.
Diese einzigartigen Transistoren verschieben das Verhalten auf der Grundlage der Temperatur und machen sie sowohl für das herkömmliche Gedächtnis als auch für das neuromorphe Computer geeignet, was die Energieeffizienz des Gehirns nachahmt. Die Verwendung von Strontium-Titanat-Dünnfilmen zeigt unerwartete ferroelektrische Eigenschaften, die auf neue Möglichkeiten in der fortschrittlichen Elektronik hinweisen.
Nutzung der beginnenden Ferroelektrizität für den Speicher der nächsten Generation
Wissenschaftler von Penn State haben eine Möglichkeit entdeckt, eine neue Art von Computerspeicher mit einer einzigartigen Materialeigenschaft namens beginnender Ferroelektrizität zu erstellen. Dieser Durchbruch könnte zu elektronischen Geräten führen, die in extremen Umgebungen, einschließlich des Weltraums, weitaus weniger Energie und Funktionsfunktion verwenden.
Ihre Forschung, veröffentlicht inNaturkommunikation, konzentriert sich auf zweidimensionale Feldeffekttransistoren (FETs)-winzige elektronische Komponenten, die ultradünne Materialschichten verwenden, um elektrische Signale zu steuern. Diese FETs sind ferroelektrisch wie, dh sie können die Richtung ihrer elektrischen Leitung wechseln, wenn sie einem externen elektrischen Feld ausgesetzt werden. Diese Fähigkeit macht sie für das Computing sehr wertvoll, wo die Signalsteuerung unerlässlich ist.
Angehen des Energieproblems von KI mit einem geringen Stromversorgungs-Computing
Eine der größten Herausforderungen beim modernen Computer, insbesondere bei KI-gesteuerten Aufgaben wie der Bilderkennung, ist der hohe Energieverbrauch herkömmlicher Systeme. Die neuen ferroelektrischen Transistoren benötigen viel weniger Leistung und bieten eine nachhaltigere und effizientere Alternative für die Zukunft des Computers.
"AI-Beschleuniger sind notorisch energiehungrisch", sagte Harikrishnan Ravichandran, Doktorand in Ingenieurwissenschaft und Mechanik und Co-Autor der Studie. "Unsere Geräte wechseln schnell und verbrauchen weit weniger Energie, wodurch der Weg für schnellere, umweltfreundlichere Computertechnologien ebnet."
Was ist beginnende Ferroelektrizität?
Die beginnende Ferroelektrizität, eine zuvor übersehene Eigenschaft von FETs, kann für die schnelleren, nachhaltigeren Geräte danken. Die beginnende Ferroelektrizität bezieht sich auf Materialien, die Anzeichen einer vorübergehenden, verstreuten Polarisation aufweisen, was bedeutet, dass Teile davon Ladungen wie winzige Dipole wechseln können - gegenüberliegende Magnetpolen in einem geringen Abstand voneinander entfernt -, setzt sich jedoch unter normalen Bedingungen nicht in einen stabilen Zustand ein.
Stellen Sie sich es wie ein Material vor, das das Potenzial hat, ferroelektrisch zu werden, aber es braucht ein wenig Druck. Beginnende Ferroelektrizität bedeutet, dass das Material kurz davor steht, ferroelektrisch zu werden - es kann eine elektrische Ladung aufnehmen, benötigt jedoch bestimmte Bedingungen, um eine elektrische Ladung zu erreichen.
"Eine beginnende Ferroelektrizität bedeutet, dass es bei Raumtemperatur keine stabile ferroelektrische Reihenfolge gibt", sagte Dipanjan Sen, Doktorand für Ingenieurwissenschaft und Mechanik und führende Autorin in der Studie. "Stattdessen gibt es kleine, verstreute Cluster polarer Bereiche. Es ist eine flexiblere Struktur im Vergleich zu herkömmlichen ferroelektrischen Materialien."
Das ferroelektrische Potential unter extremen Bedingungen freischalten
Während dieses Merkmal oft als Einschränkung angesehen wird, stellte das Team fest, dass die beginnende Ferroelektrizität bei kälteren Temperaturen weniger beginnend und traditioneller wurde. Laut Ravichandran zeigten die Geräte ein einzigartiges Verhalten über Temperaturbereiche hinweg, was auf eine Flexibilität hinweist, die mögliche neue Anwendungen ermöglichen könnte.
"Das Hauptziel des Projekts war es, zu untersuchen, ob die beginnende Ferroelektrizität, die normalerweise als Nachteil angesehen wird, weil es zu kurzer Gedächtnisbindung führt, tatsächlich nützlich sein könnte", sagte der entsprechende Autor Saptarshi Das, Ackley Professor für Ingenieurwesen und Professor für Ingenieurwissenschaft und Mechanik bei Penn State. "Bei kryogenen Bedingungen zeigte dieses Material ein traditionelles ferroelektrisches Verhalten, das für Speicheranwendungen geeignet ist. Bei Raumtemperatur verhalten sich diese Eigenschaft jedoch anders. Es hatte diese Relaxor-Natur."
Relaxorverhalten und neuromorphes Computing
Das Relaxorverhalten bezieht sich auf eine ungeordnetere Reaktion mit kurzfristiger Polarisation. Diese Art von Verhalten ist weniger vorhersehbar und flüssiger, was sich mit der stabilen, langfristigen Reihenfolge im traditionellen Ferroelektrik im Gegensatz zueinander verbindet. Dies bedeutet, dass die ferroelektrischen Eigenschaften des Materials bei Raumtemperatur schwächer oder weniger stabil sind. Anstatt ein Nachteil zu sein, gaben die Forscher an, dass es das Potenzial für den Einsatz im neuromorphen Computer zeigte, was darauf abzielt, wie das menschliche Gehirn Informationen mithilfe von Neuronen verarbeitet und viel weniger Energie verbraucht als herkömmliche Computer. Wie unser Gehirn spart es Energie, indem nur bei Bedarf Strom verwendet wird, wie beispielsweise ein Lichtschalter ein- und auszuschalten, anstatt wie herkömmliche Computer die ganze Zeit zu bleiben.
Das Gehirn nachahmen: energieeffizientes Neural Computing
"Diese Geräte wirkten wie Neuronen und ahnen das biologische neuronale Verhalten nach", sagte Mayukh Das, Doktorand für Ingenieurwissenschaft und Mechanik und Co-Autor für Studien. „Um dies zu testen, haben wir eine Klassifizierungsaufgabe unter Verwendung eines Gitters von Drei-mal-drei-Pixel-Bildern durchgeführt. Die Geräte konnten jedes Bild in verschiedene Kategorien klassifizieren. Diese Lernmethode konnte schließlich für Bildidentifikation und Klassifizierung verwendet werden. Wichtig ist. weniger Energie. “
Herstellung der Zukunft: Strontiumtitanat und dünne Filme
Mitarbeiter der Universität von Minnesota entwickelten die FETs, indem sie eine Atomeschicht auf einem Substrat einladeten, um einen dünnen Film zu bilden. Diese Filme aus Strontium-Titanat wurden dann mit Molybdän Disulfid, einem zweidimensionalen Material, kombiniert.
Strontium-Titanat ist typischerweise nicht ferroelektrisch, was bedeutet, dass es kein dauerhaftes elektrisches Feld hat. Freistehende Nanomembranen von Strontiumtitanat zeigen jedoch eine polare Ordnung, so die Forscher, die es dem Material ermöglichen können, ferroelektrisches Verhalten zu zeigen, insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen.
Strontium -Titanat -Dünnfilme sowie ihre beginnende Ferroelektrizität sind ebenfalls ein Perovskitmaterial. Perovskite, Materialien mit einer bestimmten Art von Kristallstruktur, werden für ihre außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften geschätzt.
"Wir waren überrascht zu sehen, dass diese bekannten perovskitischen Materialien auf Geräteebene exotische ferroelektrische Eigenschaften aufweisen könnten", sagte Sen. "Es war nicht etwas, was wir erwartet hatten, aber als wir mit der Herstellung der Geräte begannen, sahen wir Verhaltensweisen, die die fortgeschrittene Elektronik wirklich neu definieren konnten."
Vorausschauungen: Herausforderungen und zukünftige Forschung
Die Forscher stellten fest, dass zukünftige Forschungen die aktuellen Herausforderungen wie Skalierbarkeit und kommerzielle Lebensfähigkeit berücksichtigen werden, während andere potenzielle Materialien untersucht werden.
"Im Moment ist dies in der Forschungs- und Entwicklungsphase", sagte Sen. „Die Vervollkommnung dieser Materialien und die Integration in alltägliche Geräte wie Smartphones oder Laptops dauert Zeit, daher gibt es so viel mehr zu untersuchen. Außerdem untersuchen wir andere Materialien wie Bariumtitanat, um ihr Potenzial aufzudecken.
Reference: "Multifunctional 2 FETS Exploving Incipient Ferrolectricity in Freestanding SRIO3 Nanomembranes at Sub-Ambient Teperatures" by Dipanjan Sen, Harikrishn Ravichandran, Mayukhandran, Mayukh Das Pranavram Venkatram, SHOOO Cho, Shivsheesh Varshney, Zhiyu Zhang, Yongwen Sun, Jay Shah, Shiv Subbulakshmi Radhakrishnan, Akash Saha, Sankalpa Hazra, Chen Chen, Joan M. Redwing, K. Mkhoyan, Venkatraman Gopalan, Yang Yang, Bharat Jalan und Saptarshi Das, 30. Dezember 2024,,Naturkommunikation.
Doi: 10.1038/s41467-024-54231-Z
Zusammen mit Sen, DAS und Ravichandran sind andere Autoren der Studie aus Penn State Pranavram Venkatram, Doktorand für Ingenieurwissenschaft und Mechanik; Zhiyu Zhang, Doktorand für Ingenieurwissenschaft und Mechanik; Yongwen Sun, Doktorand für Ingenieurwissenschaft und Mechanik; Shiva Subbulakshmi Radhakrishnan, Doktorandin für Ingenieurwissenschaft und Mechanik; Akash Saha, Doktorandin für Materialwissenschaft und -technik; Sankalpa Hazra, Doktorandin für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen; Chen Chen, stellvertretender Forschungsprofessor, Dünnfilme im zweidimensionalen Kristallkonsortium (2DCC-MIP); Joan Redwing, Direktor des 2DCC-MIP und angesehenen Professors für Materialwissenschaft und -technik sowie Elektrotechnik; Venkat Gopalan, Professor für Materialwissenschaft und -technik sowie Physik; und Yang Yang, Assistenzprofessor für Ingenieurwissenschaft und Mechanik und Nukleargenieurwesen. Von der University of Minnesota zählen die Co-Autoren der Studie Sooho Choo, Shivasheesh Varsney, Jay Shah, K. Andre Mkhoyan und Bharat Jalan.
Die US National Science Foundation und das Forschungsbüro der Armee unterstützten diese Arbeit.
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