Копание атомно-силового микроскопа глубоко в материале для реализации более энергоэффективных компьютерных чипов

Ученые из UConn сообщили в Известиях Национальной академии наук что когда знакомый инструмент используется таким образом, который никогда не планировалось использовать, он прокладывает путь для совершенно нового техника исследования материалов.

Когда-нибудь их конкретные выводы можно будет использовать для разработки гораздо более энергоэффективных компьютерных чипов; однако новый метод сам по себе может открыть инновационные открытия в широком спектре областей.

Атомно-силовые микроскопы (АСМ) натягивают сверхострый наконечник на материалы, очень близко, но без соприкосновения с поверхностью. Наконечник чувствует, где находится поверхность, и обнаруживает электрические и магнитные силы, создаваемые материалом. Ученый может методично передавать его назад и вперед и наносить на карту свойства поверхности материала таким же образом, каким геодезист методично перемещается по участку земли, чтобы нанести на карту территорию. АСМ могут предложить карту выступов, отверстий и свойств материала в масштабе, в тысячи раз меньшем по сравнению с зерном соли.

АСМ были разработаны для исследования поверхностей. В основном, пользователь изо всех сил старается не врезаться в материал кончиком, поскольку поверхность материала может быть повреждена. Тем не менее, время от времени он действительно поврежден. Несколько лет назад Ясемин Кутес, аспирант, и Джастин Лурия, постдок, случайно зарылись в свой образец, исследуя солнечные элементы в лаборатории материаловедения и техники профессора Брайана Хьюи. Первоначально они думали, что это было раздражающей ошибкой, и заметили, что свойства материала казались разными, когда Кутес воткнул наконечник АСМ глубоко в канаву, которую она случайно вырыла.

Хотя Кутес и Лурия не преследовали его, Джеймс Стеффес, еще один аспирант, был заинтригован, чтобы поближе взглянуть на эту концепцию. Он задавался вопросом, каков будет результат намеренного использования наконечника АСМ, подобного долоту, для раскопок материала? Будет ли он иметь возможность отображать электрические и магнитные свойства слой за слоем, создавая трехмерную картину свойств материала так же, как он наносил на карту поверхность в 2D? И будут ли какие-либо свойства глубоко внутри материала?

Ответы, о которых сообщили Стеффес, Хьюи и их коллеги в PNAS – да и да. Они закопались в образец феррита висмута (BiFeO 3 ) – мультиферроик комнатной температуры. Мультиферроики – это материалы, которые обладают способностью обладать множеством магнитных или электрических свойств одновременно. Например, феррит висмута является антиферромагнитным – он реагирует на магнитные поля, но в целом не имеет северного или южного магнитного полюса, а также сегнетоэлектрик; то есть он имеет переключаемую электрическую поляризацию. Обычно такие сегнетоэлектрические материалы состоят из крошечных участков, известных как домены. Каждый домен подобен кластеру батарей со всеми их положительными клеммами, выровненными в одном направлении. Кластеры по обе стороны этого домена будут указывать в другом направлении. Они чрезвычайно ценны для компьютерной памяти, поскольку компьютер может переворачивать домены, «писать» на материале, используя электрические или магнитные поля.

При чтении или записи информации о куске феррита висмута, как правило, специалист по материалам может наблюдать только то, что происходит на поверхности. Тем не менее, они намереваются наблюдать за тем, что происходит под поверхностью, получая представление о том, что позволит материалу быть преобразованным в высокоэффективные компьютерные чипы, которые работают быстрее и потребляют меньше энергии по сравнению с имеющимися в настоящее время. Это может привести к огромной разнице в общем потреблении энергии обществом – уже 5% от общего объема электроэнергии, потребляемой в Соединенных Штатах, расходуется на работу компьютеров.

Чтобы выяснить это, Стеффес, Хьюи и остальная команда использовали наконечник AFM, чтобы тщательно копаться в ферритовой пленке висмута и наносить на карту внутреннюю часть за куском. Они обнаружили, что было возможно составить карту отдельных доменов полностью, раскрывая образцы и свойства, которые обычно не были очевидны на поверхности. Время от времени домен сужался до тех пор, пока он не исчез, не разделился на y-образную форму или не слился с другим доменом. Интерьер материала никогда ранее не был замечен до этой детали. Это было показательно, подобно просмотру трехмерной компьютерной томографии кости, когда раньше можно было только читать двумерные рентгеновские лучи.

Во всем мире уже установлено около 30 000 АСМ. Большая часть из них собирается попробовать [3D mapping with] AFM в 2019 году, так как наше сообщество понимает, что они все время царапали поверхность .

Брайан Хьюи, профессор материаловедения и инженерии, Университет Коннектикута

Он также считает, что больше лабораторий теперь будут приобретать АСМ, если будет показано, что 3D-картирование работает для их материалов, и некоторые производители микроскопов начнут разрабатывать АСМ, особенно для 3D-сканирования.

Стеффес впоследствии окончил UConn со своей докторской степенью и теперь работает в GlobalFoundries, производителе компьютерных чипов. Исследователи из Intel, muRata и других стран также увлечены тем, что команда открыла для феррита висмута, поскольку они ищут новые материалы для разработки компьютерных чипов следующего поколения. Тем временем группа Хьюи в настоящее время использует АСМ для поиска материалов всех типов, от бетона до кости и широкого спектра компьютерных компонентов.

Работая с академическими и корпоративными партнерами, мы можем использовать наше новое понимание, чтобы понять, как лучше проектировать эти материалы, чтобы использовать меньше энергии, оптимизировать их производительность, а также повысить их надежность и срок службы – это примеры того, что ученые-материаловеды стремиться делать каждый день .

Брайан Хьюи, профессор материаловедения и инженерии, Университет Коннектикута

Это исследование было профинансировано Национальным научным фондом UConn и Школой инженерии.

Source link