Des techniques d'imagerie avancées sur un matériau semi-conducteur révèlent une activité cachée "surprenante

Les chercheurs ont travaillé avec un matériau semi-conducteur, le dioxyde de vanadium (VO2), qui, selon eux, présente un grand potentiel en tant que commutateur électronique. Ils ont également étudié la manière dont le dioxyde de vanadium interagit avec le dioxyde de titane, le matériau de base, et ont été surpris de découvrir qu'il semble y avoir une couche active dans le matériau de base qui se comporte de la même manière que le matériau semi-conducteur qui le recouvre lorsque le semi-conducteur passe d'un isolant (qui ne laisse pas passer l'électricité) à un métal (qui laisse passer l'électricité). La révélation que les substrats peuvent jouer un rôle actif dans les processus semi-conducteurs est importante pour la conception de matériaux et de dispositifs futurs, a déclaré Venkatraman Gopalan, directeur de l'étude et professeur de science et d'ingénierie des matériaux et de physique à Penn State.

Les ordinateurs modernes comportent des milliards de transistors constitués de semi-conducteurs, qui peuvent être commutés entre deux états - zéro et un - en leur appliquant une tension. "Les smartphones et les ordinateurs portables contiennent des milliards de transistors", a déclaré Roman Engel-Herbert, directeur de l'Institut Paul Drude pour l'électronique de l'état solide, et coauteur de l'étude parue dans Advanced Materials. "Pour traiter des informations et effectuer des calculs, nous devons passer d'un état à l'autre du transistor, et chaque commutation nécessite de l'énergie. Le volume de transistors utilisés aujourd'hui est dû à la demande de centres de données, qui sont les principaux moteurs de la consommation d'énergie et ceux dont la croissance est la plus rapide. Nous devons trouver des matériaux capables de passer d'un état de transistor à l'autre de manière beaucoup plus efficace sur le plan énergétique afin de répondre à la demande d'appareils informatiques plus rapides".

M. Gopalan a ajouté : "L'une des idées à l'étude concerne les matériaux, tels que le VO2, qui peuvent passer du métal (état un) à l'isolant (état zéro) en un trillionième de seconde. C'est ce que l'on appelle les transitions métal-isolant".

Le potentiel du VO2 en tant que transistor métal-isolant est bien documenté et le matériau est considéré comme prometteur pour la technologie des semi-conducteurs en raison de sa faible consommation d'énergie, a déclaré M. Gopalan. Toutefois, les propriétés du matériau ne sont pas encore totalement comprises et, jusqu'à présent, il a généralement été étudié de manière isolée plutôt que de fonctionner dans un dispositif réel.

En outre, le VO2 présente de forts effets électroniques corrélés, ce qui signifie que la répulsion entre les électrons ne peut pas être ignorée comme c'est le cas actuellement dans l'électronique à base de silicium. Cette caractéristique peut donner naissance à des matériaux dotés de nouvelles fonctionnalités, telles que la supraconductivité à haute température et des propriétés magnétiques améliorées.

"La physique sous-jacente de ce matériau est moins bien comprise, et ses performances dans la géométrie d'un dispositif le sont encore moins", a déclaré M. Gopalan. "Si nous parvenons à les faire fonctionner, nous assisterons à une renaissance de l'électronique. En particulier, l'informatique neuromorphique - où les systèmes informatiques qui s'inspirent du cerveau des systèmes vivants dotés de neurones - pourrait sérieusement bénéficier de l'utilisation de ces dispositifs."

L'équipe a conçu une expérience pour étudier le VO2 dans une géométrie de dispositif plutôt que de manière isolée, en appliquant une tension pour le faire passer de l'état isolant à l'état conducteur. Ils ont utilisé de puissants faisceaux de rayons X à l'Advanced Photon Source (APS) du laboratoire national d'Argonne pour étudier la réponse structurelle des matériaux au niveau atomique avec une haute résolution spatiale et temporelle. En faisant fonctionner le dispositif VO2 tout en cartographiant sa réponse spatiale et temporelle à l'événement de commutation, les chercheurs ont observé des changements inattendus dans la structure du matériau et du substrat.

"Ce que nous avons découvert, c'est que lorsque le film de VO2 se transforme en métal, l'ensemble du canal du film se gonfle, ce qui est très surprenant", a déclaré M. Gopalan. "Normalement, il est censé se rétrécir. Il est donc clair qu'il se passe quelque chose d'autre dans la géométrie du film que l'on n'avait pas vu auparavant.

Les rayons X de l'APS peuvent pénétrer à travers le film de VO2 et sonder le substrat de dioxyde de titane (TiO2) sur lequel le film de VO2 a été cultivé. Le substrat est normalement considéré comme un matériau passif sur le plan électrique et mécanique.

"À notre grande surprise, nous avons découvert que ce substrat est très actif, qu'il bouge et réagit de manière tout à fait surprenante lorsque le film passe d'un état d'isolant à un état de métal et vice-versa lorsque les impulsions électriques arrivent", a déclaré M. Gopalan. "C'est comme observer la queue qui remue le chien, ce qui nous a longtemps laissés perplexes. Cette observation surprenante et précédemment ignorée change complètement la façon dont nous devons considérer cette technologie."

Pour comprendre ces résultats, les travaux de théorie et de simulation - dirigés par Long-Qing Chen, professeur Hamer de science et d'ingénierie des matériaux, professeur de sciences de l'ingénieur, de mécanique et de mathématiques à Penn State - ont mis au point un cadre théorique pour expliquer l'ensemble du processus de gonflement du film et du substrat au lieu de leur rétrécissement. Lorsque leur modèle a intégré les atomes d'oxygène manquants naturellement présents dans ce matériau, de deux types, chargés et non chargés, les résultats expérimentaux ont pu être expliqués de manière satisfaisante.

"Ces lacunes d'oxygène neutres contiennent une charge de deux électrons, qu'elles peuvent libérer lorsque le matériau passe d'un isolant à un métal", a déclaré M. Gopalan. "La vacance d'oxygène laissée derrière est maintenant chargée et le cristal se gonfle, ce qui conduit à la surprenante bosse observée dans le dispositif. Cette réaction peut également se produire dans le substrat. Tous ces processus physiques sont parfaitement pris en compte dans la théorie du champ de phase et la modélisation réalisées dans ce travail pour la première fois par le post-doctorant Yin Shi dans le groupe du professeur Chen.

Gopalan et Engel-Herbert attribuent cette nouvelle compréhension à l'expertise combinée de l'équipe multidisciplinaire en matière de croissance, de synthèse et d'analyse de la structure des matériaux, ainsi qu'à l'exploitation de la ligne de faisceau synchrotron. Grâce à une approche collaborative dirigée par Greg Stone, auteur expérimental principal, et Yin Chi, auteur théorique principal, les chercheurs ont démêlé les réponses du matériau et les ont observées individuellement à l'aide de simulations de champ de phase, une simulation qui aide les scientifiques à comprendre les changements des matériaux au fil du temps en décrivant divers états de la matière dans un cadre virtuel.

"En réunissant ces experts et en mettant en commun notre compréhension du problème, nous avons pu aller bien au-delà de nos compétences individuelles et découvrir quelque chose de nouveau", a déclaré M. Engel-Herbert, dont le groupe a développé ces films avec le groupe de Darrell Schlom à Cornell. "Reconnaître le potentiel des matériaux fonctionnels nécessite une appréciation de leur contexte plus large, tout comme les défis scientifiques complexes ne peuvent être résolus qu'en élargissant nos perspectives individuelles."

Selon les chercheurs, les réponses elles-mêmes doivent faire l'objet d'une étude plus approfondie, mais ils pensent que leur compréhension permettra d'identifier des capacités précédemment inconnues du VO2, y compris des phénomènes potentiels non encore découverts dans le substrat TiO2 qui était considéré comme passif avant cette étude. L'étude elle-même s'est déroulée sur 10 ans, a noté M. Gopalan, y compris la validation des résultats.

"C'est ce qu'il faut pour passer d'une science intéressante à un dispositif fonctionnel que l'on peut tenir dans la paume de la main", a déclaré M. Gopalan. "Les expériences et la théorie sont complexes et nécessitent des équipes collaboratives à grande échelle travaillant en étroite collaboration sur une longue période pour résoudre des problèmes difficiles susceptibles d'avoir un impact important. Nous espérons que cela permettra d'accélérer les progrès vers une nouvelle génération d'appareils électroniques".

Outre Gopalan et Engel-Herbert, les autres auteurs de l'article sont Yin Shi, chercheur postdoctoral, Matthew Jerry, étudiant diplômé, Vladimir Stoica, professeur associé de recherche, et Long-Qing Chen, professeur distingué, tous de Penn State, Hanjong Paik et Darrell G. Schlom de l'université Cornell, Zhonghou Cai et Haidan Wen du laboratoire national d'Argonne, et Suman Datta de l'institut de technologie de Géorgie. Le ministère américain de l'énergie a principalement soutenu ces travaux. La croissance du film a été soutenue par la National Science Foundation.