基于硅的计算机芯片为我们的现代设备提供动力，需要大量的能量才能运行。尽管计算效率不断提高，但信息技术预计将消耗2030年生产的所有主要能源的25％。微电子和材料科学领域的研究人员正在寻求可持续的方法来可持续地管理全球计算能力需求。
The holy grail for reducing this digital demand is to develop microelectronics that operate at much lower voltages, which would require less energy and is a primary goal of efforts to move beyond today’s state-of-the-art CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor)devices.
存在具有记忆和逻辑设备的诱人特性的非硅材料；但是它们的常见体积仍然需要大量电压来操纵，使它们与现代电子设备不兼容。设计薄膜替代方案，不仅在低工作电压下表现良好，而且还可以包装到微电子设备中仍然是一个挑战。
Now, a team of researchers at Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) and UC Berkeley have identified one energy-efficient route – by synthesizing a thin-layer version of a well-known material whose properties are exactly what’s needed for next-generation devices.
首次发现了80多年前，钛酸钡（BATIO3）在各种电容器中使用用于电子电路，超声发电机，换能器甚至声纳。
材料的晶体对一个小的电场迅速响应，将带电原子的方向翻转，即使去除了施加的场，这些原子以可逆但永久的方式构成了材料。这提供了一种在逻辑和存储器存储设备中谚语“ 0”和“ 1”状态之间切换的方法 - 但仍需要大于1,000毫米（MV）的电压。
Seeking to harness these properties for use in microchips, the Berkeley Lab-led team developed a pathway for creating films of BaTiO3 just 25 nanometers thin – less than a thousandth of a human hair’s width – whose orientation of charged atoms, or polarization, switches as quickly and efficiently as in the bulk version.
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“我们在一个世纪的大部分时间里都知道Batio3，我们知道如何制作该材料的薄膜已有40多年的历史。但是到目前为止，没有人能制作一部能够与批量实现的结构或表现相近的电影。在加州大学伯克利分校（UC Berkeley）领导这项工作。
你可知道？
伯克利实验室的“超越摩尔定律”倡议旨在确定记忆元素中超低功率逻辑的途径。伯克利实验室的高级教职员工，加州大学伯克利分校的物理学和材料科学与工程学教授，“我们需要进行低压操作，因为这是扩展能量的方法。”“这项工作首次证明了模型材料的开关场，电压低于100 mV，在相关平台上。”
从历史上看，与批量版本相比，合成尝试导致膜含有较高浓度的“缺陷” - 结构与材料的理想化版本不同。如此高的缺陷浓度会对薄膜的性能产生负面影响。马丁及其同事开发了一种方法来发展限制这些缺陷的电影。这些发现发表在《自然材料》杂志上。
为了了解生产最好的低缺陷BATIO3薄膜所需的内容，研究人员转向了一个称为脉冲激光沉积的过程。Firing a powerful beam of an ultraviolet laser light onto a ceramic target of BaTiO3 causes the material to transform into a plasma, which then transmits atoms from the target onto a surface to grow the film.“It’s a versatile tool where we can tweak a lot of knobs in the film’s growth and see which are most important for controlling the properties,” said Martin.
马丁和他的同事表明，他们的方法可以精确控制沉积的膜的结构，化学，厚度和与金属电极的接口。通过将每个沉积的样品切成两半，并通过在伯克利实验室的分子环境中使用工具来查看其结构原子，研究人员揭示了一个版本，可以精确模仿大批量的极薄切片。
马丁说：“很有趣的是，我们可以采用这些经典的材料，我们认为我们知道了一切，并以制作和表征它们的新方法将它们翻转为他们。”
最后，通过将BATIO3的胶片放在两个金属层之间，Martin和他的团队创建了很小的电容器，即迅速存储并释放能量在电路中的电子组件。施加100 mV或更少的电压并测量出现的电流表明，膜的极化在一秒钟内的20亿分之一以内切换，并且可能更快 - 与当今计算机访问内存或执行计算所需的竞争力相比。
这项工作遵循了更大的目标，即用小开关电压创建材料，并检查与设备所需的金属组件的接口如何影响此类材料。马丁说：“这是我们追求低功率电子产品的早期胜利，这超出了今天的硅电子产品的可能性。”
马丁说：“与我们的新设备不同，当今芯片中使用的电容器除非保持电压，否则不会持有他们的数据。”当前的技术通常以500至600 mV的速度工作，而薄膜版本的工作方式可能为50至100 mV或更少。总之，这些测量结果表明了电压和极化鲁棒性的成功优化 - 这往往是一种权衡，尤其是在薄材料中。
接下来，该团队计划将材料缩小到更薄的缩小，以使其与计算机中的真实设备兼容，并研究其在那些微小的维度下的表现。同时，他们将与Intel Corp.等公司的合作者合作测试第一代电子设备的可行性。“如果您可以使计算机中的每个逻辑操作效率提高一百万倍，请考虑节省多少能量。这就是我们这样做的原因。”马丁说。
这项研究得到了美国能源部（DOE）科学办公室的支持。分子铸造厂是伯克利实验室的科学用户设施的能力。
