Un sistema creat a l'ICN2 podria ampliar la miniaturització dels xips
18/11/2015
La revolució de les tecnologies de la informació ha estat tradicionalment sinònim d’empaquetar més xips en menys espai per tal d’augmentar la capacitat de computació. La famosa “llei de Moore”, que preveu que el nombre de transistors per xip es duplicarà cada dos anys, és el marc en el que es desenvolupava aquesta carrera tecnològica que ha aconseguit mantenir un ritme frenètic de millores durant molt de temps. Ara que la “llei de Moore” s’apropa als seus límits físics, guanya importància una estratègia alternativa per millorar els xips que va més enllà d’augmentar el nombre de transistors. Amb el sobrenom de “more than Moore” (“més que Moore”), investigadors d’arreu del món intenten afegir noves funcionalitats als xips integrant materials intel·ligents sobre l’encara omnipresent i indispensable base de silici.
Entre els anomenats materials intel·ligents, els piezoelèctrics destaquen per la seva capacitat de convertir una deformació mecànica en voltatge (que permet generar energia o carregar una bateria) o bé, al contrari, modificar la seva forma quan se’ls aplica un voltatge (cosa que es pot aplicar, per exemple, en el disseny de ventiladors piezoelèctrics que refrigerin un circuit). Malgrat el seu interès, la integració de la piezoelectricitat amb la tecnologia basada en el silici és extremadament complexa. El nombre de materials piezoelèctrics és limitat i els piezoelèctrics més eficients són materials ferroelèctrics basats en el plom, amb implicacions ambientals importants. A més, les seves propietats es veuen molt afectades pels canvis de temperatura, fent que sigui difícil aprofitar-los en el context d’un ordinador típic amb components que poden assolir temperatures de fins a 150 graus Celsius.
Existeix, però, un altre tipus de propietat electromecànica que permet imitar les funcions d’un piezoelèctric, doblegant els materials en comptes d’apretar-los. Aquesta característica s’anomena flexoelectricitat i, tot i que fa gairebé mig segle que es coneix, generalment s’ha ignorat perquè els seus efectes són relativament dèbils i gairebé imperceptibles a la macroescala. Quan estudiem aquesta propietat a la nanoescala, però, la flexoelectricitat pot ser tan o més important que la piezoelectricitat: només cal tenir en compte que doblegar un material gruixut requereix molta energia, però doblegar una cosa ben prima resulta molt més senzill. A més, la flexoelectricitat ofereix altres propietats interessants: és una propietat universal de tots els dielèctrics, la qual cosa significa que podem evitar l’ús de materials tòxics basats en el plom, i es tracta d’una propietat més linear i independent de la temperatura que la piezoelectricitat d’un ferroelèctric.
Investigadors de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), en col·laboració amb la University of Cornell (USA) i la University of Twente (Holanda), han aconseguit produir el primer sistema microelectromecànic (MEMS) flexoelèctric integrat en silici. Han descobert que a la nanoescala es mantenen les característiques avantatjoses de la flexoelectricitat i, a més, els resultats del seu primer prototip (palanques que es dobleguen en resposta a un voltatge) ja són comparables als de les micro-palanques piezoelèctriques més avançades. Si això no fos prou, la universalitat de la flexoelectricitat implica que bona part dels materials dielèctrics emprats actualment en la tecnologia dels transistors ja són flexoelèctrics. Així doncs, aquest treball obre la porta a la integració de funcionalitats electromecàniques “intel·ligents” sobre materials i tecnologies ja existents. Aquests resultats s’han publicat aquesta setmana a la revista Nature Nanotechnology.
El projecte, encapçalat pel Dr. Umesh Bhaskar i el Professor ICREA Gustau Catalan, del Grup Nanoelectrònica d’Òxids de l’ICN2 a Barcelona, s’ha finançat a través d’una European Research Council (ERC) Consolidator Grant i un Projecte espanyol del Plan Nacional de Excelencia Investigadora, juntament amb beques nacionals dels grups de Cornell i Twente.
Article científic:
Umesh Kumar Bhaskar, Nirupam Banerjee, Amir Abdollahi, Zhe Wang, Darrell G. Schlom, Guus Rijnders, and Gustau Catalan; A flexoelectric microelectromechanical system on silicon. Nature Nanotechnology, DOI:10.1038/nnano.2015.260 (November 16th, 2015). http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2015.260.html