Mau funcionamento de dispositivos devido à corrente contínua leva a descobertas que podem melhorar o design de dispositivos microeletrônicos

Um novo estudo liderado por pesquisadores da University of Minnesota Twin Cities está fornecendo novos insights sobre como a eletrônica de próxima geração, incluindo componentes de memória em computadores, quebra ou se degrada ao longo do tempo. Entender os motivos da degradação pode ajudar a melhorar a eficiência das soluções de armazenamento de dados.

A pesquisa foi publicada em ACS Nano e está na capa do periódico.

Os avanços na tecnologia de computação continuam a aumentar a demanda por soluções eficientes de armazenamento de dados. Junções de túnel magnético spintrônico (MTJs) — dispositivos nanoestruturados que usam o spin dos elétrons para melhorar discos rígidos, sensores e outros sistemas de microeletrônica, incluindo Magnetic Random Access Memory (MRAM) — criam alternativas promissoras para a próxima geração de dispositivos de memória.

Os MTJs têm sido os blocos de construção para a memória não volátil em produtos como relógios inteligentes e computação na memória, com a promessa de aplicações para melhorar a eficiência energética em IA.

Usando um microscópio eletrônico sofisticado, os pesquisadores observaram os nanopilares dentro desses sistemas, que são camadas extremamente pequenas e transparentes dentro do dispositivo. Os pesquisadores passaram uma corrente pelo dispositivo para ver como ele opera. Conforme aumentavam a corrente, eles conseguiam observar como o dispositivo se degrada e eventualmente morre em tempo real.

“Experimentos de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) em tempo real podem ser desafiadores, mesmo para pesquisadores experientes”, disse o Dr. Hwanhui Yun, primeiro autor do artigo e pesquisador associado de pós-doutorado no Departamento de Engenharia Química e Ciências de Materiais da Universidade de Minnesota. “Mas depois de dezenas de falhas e otimizações, amostras funcionais foram produzidas consistentemente.”

Ao fazer isso, eles descobriram que, com o tempo, com uma corrente contínua, as camadas do dispositivo ficam comprimidas e causam mau funcionamento do dispositivo. Pesquisas anteriores teorizaram isso, mas esta é a primeira vez que pesquisadores conseguem observar esse fenômeno. Uma vez que o dispositivo forma um “pinhole” (o pinch), ele está nos estágios iniciais de degradação. Conforme os pesquisadores continuam a adicionar mais e mais corrente ao dispositivo, ele derrete e queima completamente.

“O que foi incomum com essa descoberta é que observamos essa queima em uma temperatura muito mais baixa do que a pesquisa anterior pensava ser possível”, disse Andre Mkhoyan, um autor sênior do artigo e professor e Ray D. e Mary T. Johnson Chair no Departamento de Engenharia Química e Ciências de Materiais da Universidade de Minnesota. “A temperatura foi quase metade da temperatura que era esperada antes.”

Olhando mais de perto o dispositivo na escala atômica, os pesquisadores perceberam que materiais tão pequenos têm propriedades muito diferentes, incluindo temperatura de fusão. Isso significa que o dispositivo falhará completamente em um período de tempo muito diferente do que qualquer um já conheceu.

“Há uma grande demanda para entender as interfaces entre camadas em tempo real, sob condições reais de trabalho, como aplicação de corrente e voltagem, mas ninguém havia alcançado esse nível de compreensão antes”, disse Jian-Ping Wang, autor sênior do artigo e distinto professor McKnight e titular da Cátedra Robert F. Hartmann no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Minnesota.

“Estamos muito felizes em dizer que a equipe descobriu algo que impactará diretamente a próxima geração de dispositivos microeletrônicos para nossa indústria de semicondutores”, acrescentou Wang.

Os pesquisadores esperam que esse conhecimento possa ser usado no futuro para melhorar o design de unidades de memória de computador e aumentar a longevidade e a eficiência.

Além de Yun, Mkhoyan e Wang, a equipe incluiu o pesquisador de pós-doutorado do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Minnesota, Deyuan Lyu, o pesquisador associado Yang Lv, o ex-pesquisador de pós-doutorado Brandon Zink e pesquisadores do Departamento de Física da Universidade do Arizona.