Forscher unter der Leitung der University of California, Berkeley (UC Berkeley) haben die elektronischen Eigenschaften eines gängigen Halbleitermaterials verändert und damit energieeffizienter gemacht. Dies könnte der Grundstein zur schnelleren, stromsparenderen Datenspeicherung und -verarbeitung sein. Die wachsende Beliebtheit elektronischer Geräte treibt die Nachfrage nach energieeffizienteren Computerchips voran.
Laut der in "Science" publizierten Studie lässt sich Titandioxid (TiO2) in ferroelektrisches Material umwandeln, indem die Dicke auf weniger als drei Nanometer reduziert wird. Das entspricht etwa dem Durchmesser eines einzelnen Strangs menschlicher DNA.
Ferroelektrische Materialien können eine Schlüsselrolle spielen in der Entwicklung einer energieeffizienten Nanoelektronik der nächsten Generation, zum Beispiel für nichtflüchtige Speicher, Logikbausteine und neue Computertechnologien.
Die Erzielung stabilen ferroelektrischen Verhaltens in ultradünnem Material - ein wichtiger Faktor in der miniaturisierten Welt der Halbleiter - stellte für das Team eine grosse Hürde dar. Auch mussten sie ein ferroelektrisches Material finden, das sich gut in bestehende Silizium-basierte Technologien integrieren lässt.
Um diese Probleme zu lösen, haben die Forscher der UC Berkeley, des Lawrence Berkeley National Laboratory und des SLAC National Accelerator Laboratory TiO2 analysiert. Es wird in Computerchips oft als Dielektrikum verwendet, kann also elektrische Ladung speichern, ohne elektrische Polarisation aufuzweisen.
Sayeef Salahuddin vom Lawrence Berkeley National Laboratory: "Wir waren überrascht, als wir feststellten, dass das Material ferroelektrisch wird, sobald die Dicke der TiO2-Schichten unter drei Nanometer sinkt. In dieser Phase zeigt es eine spontane elektrische Polarisation, die durch Anlegen eines elektrischen Feldes umgeschaltet werden kann."
Noch wichtiger sei, dass dieses neue ferroelektrische Verhalten auch in Schichten von nur etwa einem Nanometer Dicke - was in etwa zwei Einheitszellen entspricht - stabil bleibt. Auf Basis der Studie könnte die Verringerung der Materialdicke einen neuen Weg zur Steuerung der Ferroelektrizität und des Phasenübergangs eröffnen, heißt es.
"Unsere Arbeit zeigt, dass diese Ferroelektrizität sowohl auf kristallinen Substraten, also Silizium, als auch auf amorphen Kohlenstoffschicht-Substraten stabil ist", ergänzt Salahuddins Kollege und Hauptautor Koushik Das abschliessend. "Dies deutet auf die Machbarkeit einer Integration in siliziumbasierte Technologien und darüber hinaus hin."
