现代设备的硅基计算机芯片需要大量能量才能运行。尽管计算效率不断提高，但预计到 2030 年，信息技术将消耗大约 25% 的一次能源生产。微电子和材料科学界的研究人员正在寻找可持续管理全球计算能力需求的方法。

减少这种数字需求的圣杯是开发在低得多的电压下运行的微电子器件，这将需要更少的能量，并且是超越当今最先进的 CMOS（互补金属氧化物半导体）的主要目标设备。

存在用于存储器和逻辑器件的具有诱人特性的非硅材料；但它们常见的体积形式仍然需要大电压来操作，这使得它们与现代电子产品不兼容。设计不仅在低工作电压下表现良好而且还可以封装到微电子设备中的薄膜替代品仍然是一个挑战。

现在，劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 和加州大学伯克利分校的一组研究人员确定了一条节能路线——通过合成一种众所周知的材料的薄层版本，其特性正是下一代设备所需要的.

钛酸钡 (BaTiO3) 在 80 多年前首次被发现，可用于电子电路、超声波发生器、换能器甚至声纳的各种电容器。

材料的晶体对小电场反应迅速，即使移除了外加电场，也会以可逆但永久的方式改变构成材料的带电原子的方向。这提供了一种在逻辑和内存存储设备中众所周知的“0”和“1”状态之间切换的方法——但这样做仍然需要大于 1,000 毫伏 (mV) 的电压。

为了利用这些特性在微芯片中使用，伯克利实验室领导的团队开发了一种方法来制造仅 25 纳米薄的 BaTiO3 薄膜 - 不到人类头发宽度的千分之一 - 其带电原子或极化的方向切换为与批量版本一样快速有效。

“我们在一个世纪的大部分时间里就知道 BaTiO3，我们知道如何用这种材料制造薄膜已有 40 多年了。但直到现在，没有人能制造出能够接近结构或性能的薄膜这可以批量实现，”领导这项工作的伯克利实验室材料科学部 (MSD) 学院科学家、加州大学伯克利分校材料科学与工程教授莱恩·马丁说。

从历史上看，与散装版本相比，合成尝试导致薄膜包含更高浓度的“缺陷”——结构与理想化版本的材料不同的点。如此高浓度的缺陷会对薄膜的性能产生负面影响。Martin 及其同事开发了一种方法来生长限制这些缺陷的薄膜。研究结果发表在《自然材料》杂志上。

为了了解如何生产最好的、低缺陷的 BaTiO3 薄膜，研究人员转向了一种称为脉冲激光沉积的工艺。将强大的紫外激光束发射到 BaTiO3 陶瓷靶材上，使材料转变为等离子体，然后将靶材中的原子传输到表面上以生长薄膜。“这是一种多功能工具，我们可以在其中调整电影生长过程中的许多旋钮，看看哪些对控制属性最重要，”马丁说。

Martin 和他的同事表明，他们的方法可以精确控制沉积膜的结构、化学成分、厚度以及与金属电极的界面。通过将每个沉积的样品切成两半，并使用位于伯克利实验室分子铸造厂的国家电子显微镜中心的工具逐个原子地观察其结构，研究人员揭示了一个精确模仿极薄切片的版本。

马丁说：“想到我们可以采用这些我们认为我们无所不知的经典材料，并用新的方法来制作和表征它们，这很有趣。”

最后，通过在两个金属层之间放置一层 BaTiO3，Martin 和他的团队创造了微型电容器——在电路中快速存储和释放能量的电子元件。施加 100 mV 或更低的电压并测量出现的电流表明，薄膜的极化在十亿分之二秒内切换，并且可能更快 - 与当今计算机访问内存或执行计算所需的速度相比具有竞争力。

这项工作遵循更大的目标，即创造具有小开关电压的材料，并研究与设备所需的金属组件的界面如何影响这些材料。“这是我们追求低功耗电子产品的早期胜利，它超越了当今基于硅的电子产品，”马丁说。

“与我们的新设备不同，今天芯片中使用的电容器不会保存它们的数据，除非你继续施加电压，”马丁说。目前的技术通常工作在 500 到 600 mV，而薄膜版本可以工作在 50 到 100 mV 或更低。总之，这些测量结果证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，使其与计算机中的真实设备兼容，并研究它在这些微小尺寸下的行为方式。同时，他们将与英特尔等公司的合作者合作，测试第一代电子设备的可行性。“如果你能让计算机中的每个逻辑运算效率提高一百万倍，想想你节省了多少能源。这就是我们这样做的原因，”马丁说。