دراسة نظام مادي سمح لصناعة أشباه الموصلات بتحديد موقع الحساب والذاكرة على شريحة واحدة
كمية الطاقة المستخدمة في الكمبيوتر أو الإلكترونيات آخذة في الارتفاع بمعدل كبير، أفادت شركة المعلومات والاستشارات التجارية Enerdata أن المعلومات والاتصالات والتكنولوجيا تمثل 5٪ إلى 9٪ من إجمالي استهلاك الكهرباء في جميع أنحاء العالم.
إذا استمر النمو كما هو الوضع الحالي، فقد تتطلب الحوسبة ما يصل إلى 20٪ من توليد الطاقة في العالم بحلول عام 2030، مع تعرض شبكات الطاقة بالفعل لضغوط من الأحداث المتعلقة بالطقس، وانتقال الاقتصاد من الوقود الأحفوري إلى مصادر الطاقة المتجددة، يحتاج المهندسون بشدة إلى تسطيح منحنى طلب الطاقة الخاص بالحوسبة .
يقوم أعضاء مجموعة الأغشية الرقيقة متعددة الوظائف بجامعة فيرجينيا بدراسة نظامًا ماديًا من شأنه أن يسمح لصناعة أشباه الموصلات بتحديد موقع الحساب والذاكرة على شريحة واحدة.
مواد ذاكرة متوافقة مع باقي الدائرة المتكاملة
قال إيهليفيلد، الأستاذ المشارك في علوم وهندسة المواد والهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة فيرجينيا: “لدينا الآن شريحة كمبيوتر تقوم بأنشطتها الإلكترونية مع القليل من الذاكرة عليها”، في كل مرة تريد فيها شريحة الكمبيوتر التحدث إلى الذاكرة فبنك الذاكرة الأكبر، يرسل إشارة أسفل الخط، وهذا يتطلب طاقة، كلما طالت المسافة زادت الطاقة المستهلكة، اليوم يمكن أن تكون المسافة بعيدة جدًا – تصل إلى عدة سنتيمترات.
قال إيهليفيلد: “في عالم مثالي، سنجعلهم على اتصال مباشر مع بعضهم البعض”، يتطلب ذلك مواد ذاكرة متوافقة مع باقي الدائرة المتكاملة، فئة واحدة من المواد المناسبة لأجهزة الذاكرة هي الفيروكهربائية، مما يعني أنها يمكن أن تحمل وتحرر شحنة عند الطلب، فمعظم المواد الفيروكهربائية لا تتوافق مع السيليكون، ولا تؤدي أداءً جيدًا عندما تكون صغيرة جدًا، وهو أمر ضروري للأجهزة المصغرة الحديثة والمستقبلية.
يلعب الباحثون في مختبر إيهليفيلد دور الخاطبة، تعمل أبحاثهم على تطوير المواد ذات الخصائص الكهربائية والبصرية التي تجعل الحساب والاتصالات الحديثة ممكنة، وهي قوة بحثية في قسم علوم وهندسة المواد، كما أنهم متخصصون في تصنيع وتوصيف مجموعة من المواد.
أكسيد الهافنيوم
مادة اهتمامهم هي أكسيد الهافنيوم، الذي يستخدم في صناعة الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر اليوم. الجانب السلبي هو أنه في حالته الطبيعية ، فإن أكسيد الهافنيوم ليس حديديًا كهربيًا.
على مدى السنوات الإحدى عشرة الماضية ، أصبح معروفًا أنه يمكن التلاعب بذرات أكسيد الهافنيوم لإنتاج مرحلة أو هيكل كهربائي حديدي.
عندما يتم تسخين غشاء رقيق من أكسيد الهافنيوم، وهي عملية تسمى التلدين، يمكن أن تنتقل ذراته إلى النمط البلوري لمادة حديد كهربية؛ عندما يتم تبريد الفيلم الرقيق ، يتم تثبيت هيكله البلوري في مكانه.
كان سبب حدوث تشكيل المرحلة الفيروكهربائية موضوع الكثير من التكهنات.
شيلبي فيلدز الحاصل على درجة الدكتوراه. في هندسة علوم المواد من UVA هذا العام ، نشر دراسة تاريخية لشرح كيف ولماذا يتشكل أكسيد الهافنيوم في مرحلته المفيدة والكهربائية.
توضح ورقة الحقول ، أصل استقرار الطور الكهروحراري من خلال تأثير التثبيت في الأغشية الرقيقة لأكسيد الزركونيوم الهفنيوم الكهروحراري، والتي نُشرت في أغسطس في مواد إلكترونية متقدمة ، كيفية تثبيت غشاء رقيق قائم على أكسيد الهافنيوم عندما يكون محصورًا بين ركيزة معدنية و قطب كهربائي.
وجدت الأبحاث السابقة أن المزيد من الغشاء يستقر في الطور البلوري الفيروكهربائي عندما يكون القطب العلوي في مكانه من أجل التلدين الحراري والتبريد.
قال فيلدز: “كان لدى المجتمع جميع أنواع التفسيرات لسبب ذلك، واتضح أننا كنا مخطئين”، “اعتقدنا أن القطب العلوي يمارس نوعًا من الضغط الميكانيكي، يشع بشكل جانبي عبر مستوى القطب الكهربي، مما يمنع أكسيد الهافنيوم من التمدد والعودة إلى حالته الطبيعية غير الحديدية الكهربية. أظهر بحثي أن الضغط الميكانيكي يتحرك للخارج من المستوى ؛ القطب له تأثير لقط، وهذه النتيجة يمكن أن تغير بشكل جيد المواد التي يختارها مصنعو أشباه الموصلات كأقطاب كهربائية.
قال فيلدز: “نحن نفهم الآن سبب أهمية الطبقة العليا/ وفي المستقبل، سيتعين على الأشخاص الذين يرغبون في دمج الحوسبة والذاكرة على شريحة واحدة التفكير في جميع خطوات المعالجة بعناية أكبر”.
تلخص ورقة فيلدز الفصل الختامي لبحث أطروحته، في الأبحاث المنشورة مسبقًا ، أظهرت Fields تقنيات لقياس الأغشية الرقيقة جدًا والضغوط الميكانيكية ؛ المواد الصغيرة جعلت قياسات الإجهاد صعبة تجريبيا.
قال فيلدز: “أردنا تجاوز الأوصاف القصصية وتقديم البيانات لدعم توصيفنا لسلوك المواد”. “أنا سعيد لأننا تمكنا من تزويد المجتمع بمزيد من الوضوح فيما يتعلق بتأثير التثبيت هذا، نحن نعلم أن الطبقة العليا مهمة كثيرًا ويمكننا هندسة تلك الطبقة العليا لتحسين تأثير التثبيت، وربما هندسة الطبقة السفلية للمساعدة في هذا التأثير، أيضًا، القدرة على الاستفادة من متغير تجريبي واحد للتحكم في المرحلة البلورية ستكون ميزة كبيرة لحقل أشباه الموصلات. أود أن يسأل أحدهم هذا السؤال ويجيب عليه “.
علامات البقعة
يركز بحث أخر ضمن هذه السلسة من الأبحاث على التركيب الذري لأكسيد الهافنيوم في مرحلته الطبيعية والحديدية الكهربية، مع اهتمام خاص بدور ذرات الأكسجين، ومنها دراسة نُشرت عن تأثير محتوى الأكسجين على دستور المرحلة والسلوك الكهربي الفيروكهربائي لأغشية أكسيد الهافنيوم الرقيقة المترسبة بواسطة النبضات التفاعلية عالية الطاقة .
يمكن للحالة الطبيعية غير الحديدية الكهربية أن تتحمل عددًا من شواغر الأكسجين، ولكن ليس بالقدر المطلوب لتحقيق الاستقرار في المرحلة الكهرومائية، لقد ثبت أن التركيز الدقيق وموقع شواغر الأكسجين التي تجعل أكسيد الهافنيوم الفيروكهربائي أمر بعيد المنال نظرًا لعدم توفر العديد من الأدوات لإجراء قياس نهائي، وتم اكتشاف أن المرحلة الكهرومائية تتطلب عددًا أكبر بكثير من وظائف الأكسجين الشاغرة مما كان يعتقد سابقًا.
كان التحليل الطيفي للإلكترون بالأشعة السينية هو أداة الانتقال لحساب تركيزات شواغر الأكسجين، وتم الكشف أن هناك عوامل مساهمة تتجاوز ما يقيسه مستخدمو تقنية التحليل الطيفي عادةً ، مما يؤدي إلى انخفاض عدد الوظائف الشاغرة في الأكسجين.
تكشف التجارب، أن الوظائف الشاغرة للأكسجين قد تكون واحدة، لتحقيق الاستقرار في المرحلة الكهرومائية للمادة، يجب إجراء المزيد من الأبحاث لفهم كيفية وجود الوظائف الشاغرة، ويجب أن تقوم فرق بحثية أخرى بقياس الوظائف الشاغرة بالأكسجين باستخدام طريقتها للتحقق من صحة النتائج التي توصلت إليها.
يقلب بحث البحث الجديد، الحكمة التقليدية التي اقترحت أن حجم البلورة – تسمى حبة – هو ما يثبت أكسيد الهافنيوم، حيث قام الفريق البحثي بعمل ثلاث عينات بأحجام حبيبات متساوية وتركيزات مختلفة من الأكسجين الشاغر، يظهر البحث أن المراحل الموجودة في هذه العينات متنوعة، مما أدى إلى استنتاج مفاده أن تركيز شغور الأكسجين أكثر أهمية من حجم الحبوب.
تعمل الباحثون على تعميق استفسارها عن أكاسيد الهافنيوم لشرح استجابة المادة لتطبيق مجال كهربائي. يشار إلى هذه الظاهرة في صناعة أشباه الموصلات بالاستيقاظ والتعب.
“عندما تقوم بتطبيق مجال كهربائي على هذه المادة ، فإن الخصائص الفيروكهربائية تزيد ، أو” الاستيقاظ “، مع الاستمرار في تطبيق المجال الكهربائي ، تتحلل الخصائص الفيروكهربائية ، في عملية تعرف باسم التعب “.
لقد وجدت أنه عندما يتم تطبيق مجال كهربائي في البداية، فإنه يعزز الهيكل الفيروكهربائي ، ولكن هناك عوائد متناقصة.
تتمثل الخطوة التالية في التحقق من كيفية مساهمة تصميم الرقصات لذرات الأكسجين في المادة في الاستيقاظ والإرهاق ، الأمر الذي يتطلب دراسة مكان وجود الوظائف الشاغرة ديناميكيًا.
قال إيهليفيلد: “تشرح هذه الدراسات التاريخية سبب وجود أكسيد الهافنيوم الفيروكهربائي وكيف يستقر”، “بناءً على هذه النتائج الجديدة، يمكننا هندسة أغشية رقيقة من أكسيد الهافنيوم لتكون أكثر استقرارًا وأداء أفضل في التطبيق الفعلي، من خلال إجراء هذا البحث الأساسي، يمكننا مساعدة شركات أشباه الموصلات على فهم أصل المشكلات وكيفية منعها في المستقبل خطوط الإنتاج.”
