מחקר עדכני בראשות פן סטייט גילה שמצעים, שלעתים קרובות מתעלמים מהם בתכנון מוליכים למחצה, משתתפים באופן פעיל בתהליכים אלקטרוניים, בדומה למוליכים למחצה. תגלית זו, שבמרכזה האינטראקציות בין ונדיום דו חמצני וטיטניום דו חמצני, עשויה לחולל מהפכה בתכנון וביעילות של מכשירים אלקטרוניים עתידיים. קרדיט: twoday.co.il.com
מחקר חדש מצביע על כך שחומרים שמתעלמים מהם באופן מסורתי בעיצוב שבבי מחשב הם חיוניים לעיבוד מידע. פריצת דרך זו עשויה לסלול את הדרך לאלקטרוניקה מהירה ויעילה יותר. באמצעות טכניקות הדמיה מתקדמות, צוות בינלאומי בראשות חוקרי פן סטייט מצא שהחומר שעליו בנוי מכשיר שבב מוליכים למחצה, הנקרא המצע, מגיב לשינויים בחשמל בדומה למוליך למחצה שעליו.
החוקרים עבדו עם החומר המוליך למחצה, ונדיום דו חמצני, שלדבריהם מראה פוטנציאל גדול בתור מתג אלקטרוני. הם גם חקרו כיצד ונדיום דו חמצני יוצר אינטראקציה עם חומר המצע טיטניום דו חמצני ואמרו שהם הופתעו לגלות שנראה שיש שכבה פעילה במצע שמתנהגת בדומה לחומר המוליך למחצה שעליו כאשר המוליך למחצה עובר בין מבודד – לא נותן לחשמל לזרום – ומתכת – נותן לחשמל לזרום. הגילוי שמצעים יכולים למלא תפקיד פעיל בתהליכי מוליכים למחצה הוא משמעותי לתכנון חומרים והתקנים עתידיים, אמר מוביל המחקר Venkatraman Gopalan, פרופסור למדע והנדסת חומרים ולפיזיקה בפן סטייט.
הפוטנציאל של ונדיום דו חמצני
"דרושים רעיונות חדשים לאלקטרוניקה קטנה ומהירה יותר כדי לעמוד בקצב של חוק מור", אמר גופאלן, המחבר המקביל של המחקר ב- חומרים מתקדמים. "רעיון אחד שנחקר הוא חומרים, כמו ונדיום דו חמצני, שיכולים לעבור בין מצבי מתכת – המצב האחד – לבין מבודד – מצב האפס – בטריליון שניה. זה ידוע בתור מעבר מתכת-מבודד".
הפוטנציאל של ונדיום דו חמצני כטרנזיסטור מתכת למבודד מתועד היטב והחומר נחשב למבטיח לטכנולוגיית מוליכים למחצה בשל צריכת האנרגיה הנמוכה שלו, אמר גופאלן. עם זאת, תכונות החומר עדיין לא מובנות במלואן, ועד עכשיו, הוא נצפה בדרך כלל במנותק ולא בזמן תפקוד במכשיר אמיתי.
Venkatraman Gopalan, פרופסור למדע והנדסת חומרים ולפיזיקה, במעבדה האופטית שלו. קרדיט: Seana Wood/Penn State Materials Research Institute
לונדיום דו חמצני יש השפעות אלקטרוניות בקורלציה חזקה, כלומר הדחייה בין אלקטרונים מפריעה למכשיר, ולכן אי אפשר להתעלם ממנה כפי שנעשה כיום באלקטרוניקה מבוססת סיליקון. מאפיין זה יכול לגרום לחומרים בעלי פונקציות חדשות כגון מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה ותכונות מגנטיות משופרות.
"הפיזיקה הבסיסית של החומר הזה פחות מובנת, והביצועים שלו בגיאומטריית מכשיר מובנים אפילו פחות", אמר גופאלן. "אם נוכל לגרום להם לעבוד, תהיה רנסנס בתחום האלקטרוניקה. במיוחד, מחשוב נוירומורפי – שבו מערכות מחשב השואבות השראה מהמוח של מערכות חיות עם נוירונים – יכולות להפיק תועלת רצינית על ידי שימוש במכשירים כאלה".
הדמיה מתקדמת וממצאים מפתיעים
הצוות חקר ונדיום דו חמצני במכשיר ולא בבידוד, והפעיל עליו מתח כדי לגרום לו לעבור ממצב מבודד למצב מוליך. הם השתמשו במקור הפוטון המתקדם (APS) במעבדה הלאומית של Argonne, המשתמשת בקרני רנטגן חזקות כדי לחקור את ההתנהגות והמבנה של חומרים ברמה האטומית. בעת מיפוי התגובה המרחבית והזמנית של החומר לאירוע המעבר, החוקרים צפו בשינויים בלתי צפויים במבנה החומר והמצע.
"מה שמצאנו הוא שכשסרט ונדיום דו-חמצני משתנה למתכת, ערוץ הסרט כולו בולט, וזה מאוד מפתיע", אמר גופאלן. "בדרך כלל זה אמור להתכווץ. אז ברור שמשהו אחר התרחש בגיאומטריית הסרט שהוחמצה קודם לכן."
קרני הרנטגן של APS חדרו דרך סרט ונדיום דו חמצני ולתוך מצע טיטניום דו חמצני (TiO2) – שנחשב בדרך כלל לחומר פסיבי מבחינה חשמלית ומכנית – שעליו גדל הסרט הדק.
"גילינו להפתעתנו הרבה שהמצע הזה מאוד פעיל, מתרוצץ ומגיב בדרכים מפתיעות לחלוטין כשהסרט עובר ממבודד למתכת ובחזרה, כשהפולסים החשמליים מגיעים", אמר גופלן. "זה כמו לצפות בזנב מכשכש בכלב, מה שהכשיל אותנו במשך זמן רב. התצפית המפתיעה והשמתעלמת בעבר משנה לחלוטין את האופן שבו אנחנו צריכים לראות את הטכנולוגיה הזו."
תובנות תיאורטיות ותגליות שיתופיות
כדי להבין את הממצאים הללו, מאמץ התיאוריה והסימולציה – בראשות לונג-צ'ינג צ'ן, פרופסור האמר למדע והנדסת חומרים, פרופסור למדע הנדסה ומכניקה ולמתמטיקה בפן סטייט – פיתחו מסגרת תיאורטית כדי להסביר את כל התהליך של הסרט והמצע מתנפח במקום להתכווץ. כאשר המודל שלהם שילב אטומי חמצן חסרים טבעיים בחומר זה משני סוגים, טעונים ולא טעונים, ניתן היה להסביר את תוצאות הניסוי בצורה משביעת רצון.
"מרווחי החמצן הנייטרליים הללו מכילים מטען של שני אלקטרונים, אותם הם יכולים לשחרר כשהחומר עובר ממבודד למתכת", אמר גופאלן. "מקום החמצן הפנוי שנותר מאחור נטען כעת ומתנפח, מה שמוביל לנפיחות המפתיעה שנצפתה במכשיר. זה יכול לקרות גם במצע. כל התהליכים הפיזיקליים הללו נלכדים בצורה יפה בתיאוריית שדה-שלב ובמידול שבוצע בעבודה זו לראשונה על ידי הפוסט-דוקטורט ין שי בקבוצתו של פרופסור צ'ן".
גופאלן זיכה את המומחיות המשולבת של הצוות הרב-תחומי בגידול חומרים, סינתזה, ניתוח מבנה ותפעול קו אלומת סינכרוטרון עם ההבנה החדשה. תוך שימוש בגישה שיתופית בראשות גרג סטון, מדען פיזיקלי בצבא ארה"ב והמחבר הניסוי הראשי, ו-Yin Chi, חוקר פוסט-דוקטורט בפן סטייט והמחבר הראשי של התיאוריה, החוקרים פירקו את תגובות החומר וצפו בהן בנפרד תוך שימוש בשדה פאזה סימולציות, סימולציה המסייעת למדענים להבין שינויים מהותיים לאורך זמן על ידי תיאור מצבים שונים של חומר בסביבה וירטואלית.
"על ידי איחוד המומחים הללו ואיגום הבנתנו את הבעיה, הצלחנו לחרוג הרבה מעבר להיקף המומחיות האישי שלנו ולגלות משהו חדש", אמר רומן אנגל-הרברט, מנהל מכון פול דרוד לאלקטרוניקה מוצק בברלין. , גרמניה, ומחבר שותף למחקר שקבוצתו גידלה את הסרטים הללו יחד עם קבוצתו של דארל שלום באוניברסיטת קורנל. "ההכרה בפוטנציאל של חומרים פונקציונליים מחייבת הערכה של ההקשר הרחב יותר שלהם, בדיוק כפי שניתן לפתור אתגרים מדעיים מורכבים רק באמצעות הרחבת נקודות המבט האישיות שלנו."
שיתוף הפעולה איפשר הן לכמות משמעותית של התקדמות להתרחש בפרק זמן קצר והן לעבודה שנעשתה בפרק זמן קצר יותר, והביא למגוון נקודות מבט ממגוון דיסציפלינות.
התגובות עצמן דורשות חקירה נוספת, אמרו החוקרים, אך הם מאמינים שהבנתן תסייע בזיהוי יכולות לא ידועות בעבר של ונדיום דו-חמצני, כולל תופעות פוטנציאליות שטרם התגלו במצע ה-TiO2 שנחשב פסיבי לפני מחקר זה. המחקר עצמו נפרש על פני 10 שנים, ציין גופלן, כולל אימות התוצאות.
"זה מה שנדרש כדי לעבור ממדע מעניין למכשיר עובד שאתה יכול להחזיק בכף היד שלך", אמר גופלן. "ניסויים ותיאוריה הם מורכבים ודורשים צוותי שיתופיות בקנה מידה גדול שעובדים בשיתוף פעולה הדוק לאורך תקופה ממושכת כדי לפתור בעיות קשות שיכולות להיות להן השפעה גדולה. אנו מקווים ומצפים שזה יאיץ את ההתקדמות לקראת דור חדש של מכשירים אלקטרוניים".
לפני תפקידו הנוכחי, סטון השלים פוסט-דוקטורט בפן סטייט. יחד עם גופאלן, אנגל-הרברט, צ'ן, שלום, סטון וצ'י, מחברי המאמר האחרים כוללים את מת'יו ג'רי, סטודנט לתואר שני, ולדימיר סטויקה, פרופסור עמית למחקר, שניהם מפן סטייט; Hanjong Paik מאוניברסיטת קורנל; ז'ונגהו קאי והיידן וון מהמעבדה הלאומית של ארגון, וסומאן דאטה מהמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה. משרד האנרגיה תמך בעיקר בעבודה זו. הקרן הלאומית למדע של ארה"ב תמכה בצמיחת הסרט עבור מחקר זה.
