Les oxydes complexes pourraient alimenter les ordinateurs du futur

Alors que l’évolution des micropuces standards touche à sa fin, les scientifiques sont à la recherche d’une révolution. Les grands défis sont de concevoir des puces plus économes en énergie et de concevoir des dispositifs combinant mémoire et logique (memristors). Des scientifiques des matériaux de l’Université de Groningue, aux Pays-Bas, décrivent dans deux articles comment des oxydes complexes peuvent être utilisés pour créer des dispositifs magnéto-électriques à spin-orbite (MESO) très économes en énergie et des dispositifs memristifs aux dimensions réduites.

Le développement des ordinateurs classiques à base de silicium approche de ses limites. Pour parvenir à une miniaturisation plus poussée et réduire la consommation d’énergie, différents types de matériaux et d’architectures sont nécessaires.

Tamalika Banerjee, professeur de spintronique des matériaux fonctionnels à l’Institut Zernike pour les matériaux avancés de l’Université de Groningue, étudie une gamme de matériaux quantiques pour créer ces nouveaux dispositifs. “Notre approche est d’étudier ces matériaux et leurs interfaces, mais toujours avec un œil sur les applications, comme la mémoire ou la combinaison de la mémoire et de la logique.”

Plus efficace

Le groupe Banerjee a précédemment démontré comment le titanate de strontium dopé peut être utilisé pour créer des memristors, qui combinent mémoire et logique. Ils ont récemment publié deux articles sur les dispositifs “au-delà du CMOS”, les semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaires qui sont les éléments constitutifs des puces informatiques actuelles.

Un candidat pour remplacer le CMOS est le dispositif magnéto-électrique spin-orbite (MESO), qui pourrait être 10 à 30 fois plus efficace. Plusieurs matériaux ont été étudiés pour leur aptitude à créer un tel dispositif. Job van Rijn, titulaire d’un doctorat. étudiant du groupe Banerjee, est le premier auteur d’un article en Examen physique B publié en décembre 2022, décrivant comment le manganate de strontium (SrMnO₃ ou SMO en abrégé) pourrait être un bon candidat pour les appareils MESO.

“C’est un matériau multiferroïque qui couple la spintronique et les effets basés sur la charge”, explique van Rijn. La spintronique est basée sur le spin (le moment magnétique) des électrons.

Banerjee dit: “Les ordres magnétiques et de charge sont couplés dans ce matériau, nous pouvons donc commuter le magnétisme avec un champ électrique et la polarisation avec un champ magnétique.” Et, surtout, ces effets sont présents à des températures proches de la température ambiante. Van Rijn étudie le couplage fort entre les deux effets. “Nous savons que le ferromagnétisme et la ferroélectricité sont réglables en sollicitant un film SMO mince. Cette tension a été réalisée en faisant croître les films sur différents substrats.”

Souche

Van Rijn étudie comment la contrainte induit de la ferroélectricité dans le matériau et son impact sur l’ordre magnétique. Il a analysé les domaines dans les films contraints et a remarqué que les interactions magnétiques dépendent fortement de la structure cristalline et, en particulier, des lacunes d’oxygène, qui modifient la direction privilégiée de l’ordre magnétique.

“Les expériences de transport de spin nous amènent à la conclusion que les domaines magnétiques jouent un rôle actif dans les dispositifs constitués de ce matériau. Par conséquent, cette étude est la première étape pour établir l’utilisation potentielle du manganate de strontium pour de nouvelles architectures informatiques.”

Le 14 février, le groupe Banerjee a publié un deuxième article sur les appareils “au-delà du CMOS”, dans la revue Matériaux électroniques avancés. doctorat L’étudiante Anouk Goossens est la première auteure de cet article sur la miniaturisation des memristors à base de titanate de strontium dopé au niobium (SrTiO₃ ou STO). “Le nombre d’appareils par unité de surface est important”, explique Goossens. “Mais certains types de memristors sont difficiles à réduire.”

Goossens a précédemment montré qu’il était possible de créer des dispositifs « logiques en mémoire » à l’aide de STO. Son dernier article montre qu’il est possible de réduire l’échelle de ces appareils. Un problème courant avec les memristors est que leurs performances sont affectées négativement par la miniaturisation. Étonnamment, la fabrication de memristors plus petits à partir de STO augmente la différence entre le rapport de résistance élevé et le rapport de résistance faible.

“Nous avons étudié le matériau à l’aide de la microscopie électronique à transmission à balayage et avons remarqué la présence d’un grand nombre de lacunes d’oxygène à l’interface entre le substrat et l’électrode de l’appareil”, explique Goossens. “Après avoir appliqué une tension électrique, nous avons remarqué un mouvement de vacance d’oxygène, qui est un facteur clé dans le contrôle des états de résistance.”

Nouveau design

La conclusion est que les performances améliorées résultent d’effets de bord, qui peuvent être mauvais pour la mémoire normale. Mais dans STO, le champ électrique accru sur les bords prend en charge la fonction du memristor. “Dans notre cas, le bord est l’appareil”, conclut Goossens. “De plus, les propriétés exactes dépendent de la quantité de dopage au niobium, de sorte que le matériau est réglable à différentes fins.”

En conclusion, les deux articles publiés par le groupe montrent la voie vers de nouvelles architectures informatiques. En effet, les memristors de la STO ont inspiré les collègues de Goossens et Banerjee de l’Institut de mathématiques, d’informatique et d’intelligence artificielle de l’Université de Groningen Bernoulli et CogniGron (Groningen Cognitive Systems and Materials Center), qui ont déjà proposé un nouveau design pour l’architecture de la mémoire. .

“C’est exactement ce pour quoi nous travaillons”, déclare Banerjee. “Nous voulons comprendre la physique des matériaux et le fonctionnement de nos appareils, puis développer des applications.” Goosens : “Nous envisageons plusieurs applications et celle que nous examinons est un générateur de nombres aléatoires qui fonctionne sans algorithme et qui est donc impossible à prédire.”