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A quantidade de energia usada para computação está subindo a uma taxa exponencial. A empresa de consultoria e inteligência de negócios Enerdata relata que informação, comunicação e tecnologia são responsáveis por 5% a 9% do consumo total de eletricidade em todo o mundo.
Se o crescimento continuar inabalável, a computação poderá demandar até 20% da geração de energia do mundo até 2030. Com as redes elétricas já sob pressão de eventos relacionados ao clima e a economia em transição de combustíveis fósseis para renováveis, os engenheiros precisam desesperadamente achatar a curva de demanda de energia da computação .
Membros do grupo multifuncional de filmes finos de Jon Ihlefeld estão fazendo sua parte. Eles estão investigando um sistema de materiais que permitirá à indústria de semicondutores colocar computação e memória em um único chip.
“No momento, temos um chip de computador que realiza suas atividades de computação com um pouco de memória”, disse Ihlefeld, professor associado de ciência e engenharia de materiais e engenharia elétrica e de computação da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Virgínia.
Toda vez que o chip do computador quer se comunicar com a memória do banco de memória maior, ele envia um sinal pela linha, e isso requer energia. Quanto maior a distância, mais energia é necessária. Hoje a distância pode ser muito grande – até vários centímetros.
“Em um mundo perfeito, nós os colocaríamos em contato direto um com o outro”, disse Ihlefeld.
Isso requer materiais de memória compatíveis com o resto do circuito integrado. Uma classe de materiais adequados para dispositivos de memória são os ferroelétricos, o que significa que eles podem reter e liberar uma carga sob demanda. No entanto, a maioria dos ferroelétricos são incompatíveis com o silício e não funcionam bem quando feitos muito pequenos, uma necessidade para dispositivos miniaturizados modernos e futuros.
Pesquisadores do laboratório de Ihlefeld estão brincando de casamenteiro. Suas pesquisas avançam materiais com propriedades elétricas e ópticas que possibilitam a computação e a comunicação modernas, uma força de pesquisa do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. Eles também se especializam na fabricação e caracterização de uma variedade de materiais, uma força de pesquisa do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação Charles L. Brown.
Seu material de interesse é o óxido de háfnio, que hoje é usado na fabricação de telefones celulares e computadores. A desvantagem é que em seu estado natural, o óxido de háfnio não é ferroelétrico.
Uma dica do boné para Shelby Fields
Nos últimos 11 anos, tornou-se conhecido que os átomos de óxido de háfnio podem ser manipulados para produzir e manter uma fase ferroelétrica, ou estrutura. Quando um filme fino de óxido de háfnio é aquecido, um processo chamado de recozimento, seus átomos podem se mover para o padrão cristalográfico de um material ferroelétrico; quando o filme fino é resfriado, sua estrutura cristalina se fixa.
Por que a formação da fase ferroelétrica acontece tem sido objeto de muita especulação. Shelby Fields, que obteve um Ph.D. em engenharia de ciência de materiais da UVA este ano, publicou um estudo de referência para explicar como e por que o óxido de háfnio se forma em sua útil fase ferroelétrica.
O artigo de Fields, Origin of Ferroelectric Phase Stabilization via the Clamping Effect in Ferroelectric Hafnium Zircnium Oxide Thin Films, publicado em agosto na Advanced Electronic Materials, ilustra como estabilizar um filme fino à base de óxido de háfnio quando ele é colocado entre um substrato de metal e um eletrodo. Pesquisas anteriores descobriram que mais do filme se estabiliza na fase cristalina ferroelétrica quando o eletrodo superior está no lugar para recozimento térmico e resfriamento.
“A comunidade tinha todos os tipos de explicações sobre o porquê disso, e acontece que estávamos errados”, disse Fields. “Pensamos que o eletrodo superior exerceu algum tipo de estresse mecânico, irradiando lateralmente através do plano do eletrodo, que impediu o óxido de háfnio de se esticar e retornar ao seu estado natural, não ferroelétrico. Minha pesquisa mostra que o estresse mecânico se move para fora de plano; o eletrodo tem um efeito de fixação.”
Todo o sanduíche – o substrato, filme fino e eletrodo – é um capacitor, e essa descoberta pode muito bem alterar os materiais que os fabricantes de semicondutores selecionam como eletrodos.
“Agora entendemos por que a camada superior é uma consideração tão importante. Mais adiante, as pessoas que desejam integrar computação e memória em um único chip terão que pensar em todas as etapas de processamento com mais cuidado”, disse Fields.
O artigo de Fields resume o capítulo final de sua pesquisa de dissertação. Em pesquisas anteriores publicadas, Fields demonstrou técnicas para medir filmes muito finos e tensões mecânicas; os materiais minúsculos tornaram as medições de tensão experimentalmente difíceis.
Os colaboradores desta pesquisa colaborativa incluem os membros do grupo Samantha Jaszewski, Ale Salanova e Takanori Mimura, bem como Wesley Cai e Brian Sheldon da Brown University, David Henry do Sandia National Labs, Kyle Kelley do Oak Ridge National Lab e Helge Heinrich do UVA’s Nanoscale Materials Facilidade de Caracterização. O financiamento concedido através do Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia de Microeletrônica Ferroelétrica 3D do Departamento de Energia dos EUA e da Corporação de Pesquisa de Semicondutores apoiou a pesquisa.
“Queríamos ir além das descrições anedóticas e fornecer dados para apoiar nossa caracterização do comportamento do material”, disse Fields. “Estou feliz por podermos fornecer à comunidade mais clareza sobre esse efeito de fixação. Sabemos que a camada superior é muito importante e podemos projetar essa camada superior para melhorar o efeito de fixação e talvez projetar a camada inferior para ajudar nesse efeito, A capacidade de alavancar uma única variável experimental para controlar a fase cristalina seria uma grande vantagem para o campo de semicondutores. Eu adoraria que alguém perguntasse e respondesse a essa pergunta.”
O marca o local
Esse alguém poderia ser Samantha Jaszewski, Ph.D. estudante de ciência e engenharia de materiais e membro do grupo de pesquisa Multifunctional Thin Film de Ihlefeld. Jaszewski também quer entender o que contribui para a estabilidade da fase ferroelétrica do óxido de háfnio e como os designers de chips podem controlar o comportamento do material.
A pesquisa de Jaszewski se concentra na composição atômica do óxido de háfnio em sua fase natural e ferroelétrica, com atenção específica no papel dos átomos de oxigênio. Seu estudo de referência, Impact of Oxygen Content on Phase Constitution and Ferroelectric Behavior of Hafnium Oxide Thin Films Deposited by Reactive High-Power Impulse Magnetron Sputtering, foi publicado na edição de outubro de 2022 de Acta Materialia.
O óxido de háfnio, como o nome sugere, é composto de átomos de háfnio e oxigênio. “Às vezes estamos perdendo esses átomos de oxigênio em certos lugares, e isso ajuda a estabilizar a fase ferroelétrica”, disse Jaszewski.
O estado natural, não ferroelétrico, pode tolerar várias dessas vacâncias de oxigênio, mas não tantas quantas forem necessárias para estabilizar a fase ferroelétrica. A concentração e localização precisas das vacâncias de oxigênio que tornam o óxido de háfnio ferroelétrico provaram ser indescritíveis porque não há muitas ferramentas disponíveis para fazer uma medição definitiva.
Jaszewski contornou esse problema usando várias técnicas diferentes para medir as vacâncias de oxigênio nos filmes finos da equipe e as correlacionou com propriedades ferroelétricas. Ela descobriu que a fase ferroelétrica requer um número muito maior de vacâncias de oxigênio do que se pensava anteriormente.
A espectroscopia de fotoelétrons de raios-X foi a ferramenta para calcular as concentrações de vacância de oxigênio. Jaszewski descobriu que existem fatores contribuintes além do que os usuários dessa técnica de espectroscopia normalmente medem, levando a uma grande subconta das vacâncias de oxigênio.
Os experimentos de Jaszewski também revelam que as vacâncias de oxigênio podem ser um dos parâmetros, senão o mais importante, para estabilizar a fase ferroelétrica do material. Mais pesquisas precisam ser feitas para entender como as vagas existem. Ela também gostaria que outras equipes de pesquisa medissem as vacâncias de oxigênio usando seu método para validar suas descobertas.
A pesquisa de Jaszewski derruba a sabedoria convencional, que sugeria que o tamanho do cristal – chamado de grão – é o que estabiliza o óxido de háfnio. Jaszewski fez três amostras com tamanhos de grão iguais e diferentes concentrações de vacância de oxigênio. Sua pesquisa mostra que as fases presentes nessas amostras variaram, levando à conclusão de que a concentração de vacância de oxigênio é mais importante que o tamanho do grão.
Jaszewski foi o primeiro autor do artigo, que foi co-autor dos membros do grupo Fields e Salanova com colaboradores em muitos grupos de pesquisa dentro e fora da UVA. A pesquisa de Jaszewski é financiada por sua bolsa de pesquisa de pós-graduação da National Science Foundation e pela Semiconductor Research Corporation.
Jaszewski está aprofundando sua investigação sobre óxidos de háfnio para explicar a resposta do material à aplicação de um campo elétrico. Na indústria de semicondutores, esse fenômeno é conhecido como despertar e fadiga.
“Quando você aplica um campo elétrico a este material, as propriedades ferroelétricas aumentam, ou ‘despertar’. À medida que você continua a aplicar o campo elétrico, as propriedades ferroelétricas se degradam, em um processo conhecido como fadiga”, disse Jaszewski.
Ela descobriu que quando um campo elétrico é inicialmente aplicado, ele aumenta a estrutura ferroelétrica, mas há retornos decrescentes.
“À medida que você continua a aplicar o campo, as propriedades ferroelétricas se degradam”, disse Jaszewski.
O próximo passo é investigar como a coreografia dos átomos de oxigênio no material contribui para o despertar e a fadiga, o que exige o estudo de onde as vacâncias estão localizadas dinamicamente.
“Esses estudos de referência explicam por que o óxido de háfnio ferroelétrico existe e como ele se estabiliza”, disse Ihlefeld. “Com base nessas novas descobertas, podemos projetar filmes finos de óxido de háfnio para serem ainda mais estáveis e terem um desempenho ainda melhor em uma aplicação real. Ao fazer essa pesquisa fundamental, podemos ajudar as empresas de semicondutores a entender a origem dos problemas e como evitá-los no futuro linhas de produção.”
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