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Quando nos comunicamos com outras pessoas por meio de redes sem fio, as informações são enviadas para centros de dados onde são coletadas, armazenadas, processadas e distribuídas. Como o uso de energia computacional continua a crescer, está a caminho de se tornar potencialmente a principal fonte de consumo de energia neste século. A memória e a lógica estão fisicamente separadas na maioria dos computadores modernos e, portanto, a interação entre esses dois componentes consome muita energia para acessar, manipular e restaurar dados. Uma equipe de pesquisadores da Carnegie Mellon University e da Penn State University está explorando materiais que possam levar à integração da memória diretamente no topo do transistor. Mudando a arquitetura do microcircuito, os processadores poderiam ser muito mais eficientes e consumir menos energia. Além de criar proximidade entre esses componentes, os materiais não voláteis estudados têm o potencial de eliminar a necessidade de atualização regular dos sistemas de memória dos computadores.
Seu trabalho recente publicado em Ciência explora materiais que são ferroelétricos, ou seja, possuem uma polarização elétrica espontânea que pode ser revertida pela aplicação de um campo elétrico externo. Os ferroelétricos wurtzita recentemente descobertos, que são compostos principalmente de materiais que já estão incorporados na tecnologia de semicondutores para circuitos integrados, permitem a integração de novos dispositivos eficientes em termos de energia para aplicações como memória não volátil, eletro-óptica e coleta de energia. Um dos maiores desafios dos ferroelétricos de wurtzita é que a lacuna entre os campos elétricos necessários para a operação e o campo de ruptura é muito pequena.
“Esforços significativos são dedicados ao aumento dessa margem, o que exige uma compreensão completa do efeito da composição, estrutura e arquitetura dos filmes na capacidade de comutação de polarização em campos elétricos práticos”, disse o pesquisador de pós-doutorado da Carnegie Mellon, Sebastian Calderon, que é o principal autor do artigo.
As duas instituições foram reunidas para colaborar neste estudo por meio do Center for 3D Ferroelectric Microelectronics (3DFeM), que é um programa do Energy Frontier Research Center (EFRC) liderado pela Penn State University por meio de financiamento do escritório do Departamento de Energia dos EUA (DOE). de Ciências Energéticas Básicas (BES).
O departamento de ciência e engenharia de materiais da Carnegie Mellon, liderado pela professora Elizabeth Dickey, foi escolhido para este projeto por causa de sua experiência no estudo do papel da estrutura dos materiais nas propriedades funcionais em escalas muito pequenas por meio de microscopia eletrônica.
“O grupo do professor Dickey traz uma experiência tópica específica na medição da estrutura desses materiais em escalas de comprimento muito pequenas, bem como um foco nos materiais eletrônicos específicos de interesse deste projeto”, disse Jon-Paul Maria, professor de Ciência dos Materiais e Engenharia da Penn State University.
Juntos, a equipe de pesquisa projetou um experimento combinando a forte experiência de ambas as instituições na síntese, caracterização e modelagem teórica de ferroelétricos wurtzita. Ao observar e quantificar a comutação de polarização em tempo real usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM), o estudo resultou em uma compreensão fundamental de como esses novos materiais ferroelétricos mudam no nível atômico. À medida que a pesquisa nessa área avança, o objetivo é dimensionar os materiais para um tamanho em que possam ser usados na microeletrônica moderna.
Este material é baseado no trabalho apoiado pelo centro de Microeletrônica Ferroelétrica 3D (3DFeM), um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciência, Escritório de Ciências de Energia Básica Programa de Centros de Pesquisa de Fronteira de Energia sob o número do Prêmio DE- SC0021118.
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