Forschung -

Neues Material verbessert DV- und Speichereffizienz

Ein Forscherteam unter der Leitung der University of Minnesota entwickelte ein neues Material, das die Effizienz der Computerverarbeitung und des entsprechenden Speichers verbessern könnte.

Die Forscher haben das Material mit Unterstützung der Semiconductor Research Corporation zum Patent angemeldet, und die Experten in der Halbleiterindustrie haben bereits Materialproben angefordert.

"Wir haben ein Quantenmaterial verwendet, das in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit in der Halbleiterindustrie verursachte. Aber wir haben es nunmehr auf einzigartige Weise geschaffen, es zu einem Material mit neuen physikalischen und spin-elektronischen Eigenschaften zu entwickeln, das die Rechen- und Speichereffizienz erheblich verbessern könnte", sagte der leitende Forscher Jian-Ping Wang, Professor an der University of Minnesota.

Das neue Material gehört zu einer Klasse von Materialien, die als "topologische Isolatoren" bezeichnet werden und seit Kurzem von der Physik, der Materialforschung und der Halbleiterindustrie wegen ihrer einzigartigen spin-elektronischen Transport- und Magneteigenschaften untersucht werden.

Topologische Isolatoren werden in der Regel mit einem Einkristallzüchtungsverfahren hergestellt. Ein weiteres gängiges Herstellungsverfahren ist die Molekularstrahlepitaxie, bei der Kristalle in einem dünnen Film gezüchtet werden. Beide Techniken lassen sich für den Einsatz in der Halbleiterindustrie nur schwer skalieren.

In dieser Studie begannen die Forscher mit Wismutselenid (Bi2Se3), einer Verbindung aus Wismut und Selen. Sie benutzten dann eine Dünnschicht-Abscheidungstechnik, das so genannte "Sputtern", das durch den Impulsaustausch zwischen den Ionen und Atomen in den Zielmaterialien aufgrund von Kollisionen angetrieben wird.

Während die Sputtertechnik in der Halbleiterindustrie üblich ist, ist dies das erste Mal, dass sie zur Herstellung eines topologischen Isolatormaterials verwendet wurde, das nunmehr für Anwendungen in der Halbleiter- und Magnetindustrie skaliert werden kann.

Die Tatsache, dass die Sputtertechnik funktionierte, war jedoch nicht der überraschendste Teil des Experiments. Die nanogroßen Körner von weniger als 6 nm in der gesputterten topologischen Isolatorschicht schufen neue physikalische Eigenschaften für das Material, die das Verhalten der Elektronen im Material veränderten.

Nach der Erprobung des neuen Materials fanden die Forscher heraus, dass es im Vergleich zu aktuellen Materialien 18-mal effizienter in der Datenverarbeitung und im Speicher ist. Der Forschungsbericht erschien in "Nature Materials".

"Als die Körnergröße abnahm, erlebten wir das, was wir "Quanteneinschluss" nennen, bei dem die Elektronen im Material anders agieren und uns damit mehr Kontrolle über das Elektronenverhalten geben", sagte Studienkoautor Tony Low, Assistenzprofessor an der University of Minnesota.

Forscher untersuchten das Material mit der hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) der University of Minnesota, einer Mikroskopietechnik, bei der ein Elektronenstrahl durch eine Probe geleitet wird, um ein Bild zu erzeugen.

"Mit unserem fortschrittlichen, aberrationskorrigierten Scanning-TEM konnten wir diese nanogroßen Körner und ihre Grenzflächen im Film identifizieren", sagte Chemieprofessor Andre Mkhoyan, ein Experte der Elektronenmikroskopie.

Forscher sagen, dass dies nur der Anfang ist und dass diese Entdeckung die Tür zu weiteren Fortschritten in der Halbleiterindustrie und verwandten Industrien, wie zum Beispiel der MRAM-Technologie, öffnen könnte.

"Die Verwendung des Sputterverfahrens für die Herstellung eines Quantenmaterials wie zum Beispiel eines topologischen Isolators auf Wismut-Selenid-Basis widerspricht den intuitiven Instinkten aller Forscher auf diesem Gebiet und wird von keiner existierenden Theorie unterstützt", sagte Wang.

"Mit starker Unterstützung der 'Semiconductor Research Corporation' und der 'Defense Advanced Research Projects Agency' begannen wir vor vier Jahren nach einem praktischen Weg zu suchen, um das topologische Isolatormaterial für zukünftige Computer- und Speichergeräte zu entwickeln und anzuwenden. Unsere überraschende experimentelle Entdeckung führte zu einer neuen Theorie über topologische Isolatormaterialien."

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