Targeted synthesis of polycrystalline vanadium dioxide thin films via post-deposition annealing
Questo articolo presenta un nuovo metodo di sintesi per film sottili policristallini di biossido di vanadio mediante deposizione laser pulsata reattiva a temperatura ambiente seguita da ricottura in vuoto, il quale supera i tradizionali vincoli di alta temperatura per consentire l'integrazione compatibile con i processi CMOS per l'hardware neuromorfico.
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I computer moderni sono incredibilmente potenti, ma sono anche incredibilmente voraci di elettricità. Il modo in cui sono costruiti oggi separa la parte che ricorda le informazioni dalla parte che le calcola, costringendo i dati a viaggiare continuamente avanti e indietro. Questa separazione crea un collo di bottiglia che spreca enormi quantità di energia, specialmente quando si cerca di imitare il cervello umano, che è naturalmente efficiente nell'apprendimento e nel riconoscimento di schemi. Per risolvere questo problema, gli scienziati stanno cercando un nuovo tipo di componente elettronico che si comporti come un neurone biologico, capace di accendersi e spegnersi rapidamente consumando pochissima potenza. Un candidato promettente per questo compito è un materiale chiamato biossido di vanadio, che ha la capacità unica di cambiare la sua natura da isolante elettrico a conduttore a una specifica temperatura, approssimativamente il calore di una calda giornata estiva.
La sfida è sempre stata come realizzare film sottili di questo materiale in un modo che si adatti alla produzione informatica standard. I metodi tradizionali richiedono di riscaldare il materiale ad alte temperature mentre lo si immerge nell'ossigeno, un processo difficile da controllare e spesso incompatibile con gli strati delicati già presenti nei moderni chip per computer. I ricercatori dell'Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca e altre istituzioni russe hanno ora trovato un modo più delicato e preciso per creare questi film. Invece di forzare il materiale a formarsi in un ambiente caldo e ricco di ossigeno, hanno costruito un processo in due fasi che inizia a temperatura ambiente e termina nel vuoto.
Il team ha iniziato sparando un potente laser contro un blocco di vanadio metallico puro all'interno di una camera riempita con una piccola quantità di ossigeno gassoso. Il laser ha vaporizzato il metallo, inviando una nuvola di minuscole particelle su un wafer di silicio rivestito da uno strato di vetro. Poiché il substrato era mantenuto a temperatura ambiente, le particelle sono atterrate e hanno formato un film sottile, amorfo, il che significa che gli atomi erano disordinati e disposti casualmente, proprio come le molecole di un liquido che si è congelato istantaneamente. A questa fase, il film non era ancora il biossido di vanadio utile di cui i ricercatori avevano bisogno; era un mix di diversi livelli di ossigeno e mancava della struttura cristallina necessaria per funzionare come un interruttore.
Per trasformare questo film disordinato, gli scienziati hanno riposto il campione nella camera a vuoto e lo hanno riscaldato a poco meno di 500 gradi Celsius per venti minuti. Questo passaggio di riscaldamento ha agito come una riduzione controllata, dove gli atomi di ossigeno sono usciti dal film verso il vuoto, cambiando l'equilibrio chimico del materiale. Regolando attentamente la quantità di ossigeno presente durante la deposizione iniziale tramite laser, il team poteva perfezionare il risultato finale. Hanno scoperto che se la pressione dell'ossigeno era troppo alta, il film rimaneva troppo ossidato, e se era troppo bassa, il materiale rimaneva disordinato. Tuttavia, a una pressione specifica compresa tra 1,60 e 1,65 pascal, la ricottura nel vuoto ha prodotto un film che era quasi interamente la corretta fase cristallina del biossido di vanadio.
I risultati hanno confermato che questo nuovo metodo funziona esattamente come previsto. Quando i ricercatori hanno esaminato il film con raggi X e luce laser, hanno visto i distinti modelli di un cristallo puro, privo delle altre fasi chimiche indesiderate che spesso contaminano questi materiali. Quando hanno testato le proprietà elettriche, il film si è comportato esattamente come un interruttore intelligente. Quando la temperatura saliva a circa 63 gradi Celsius, il materiale cambiava improvvisamente da bloccante l'elettricità a conduttrice. Quando applicavano una piccola tensione a un dispositivo realizzato con questo film, esso passava bruscamente da uno stato di alta resistenza a uno di bassa resistenza e poi tornava indietro, imitando il firing di un neurone. Questo passaggio avveniva a tensioni molto basse e con un alto rapporto di resistenza, il che è ideale per costruire neuroni artificiali a basso consumo energetico.
Questo lavoro dimostra che è possibile creare film di biossido di vanio di alta qualità senza le dure condizioni di riscaldamento e ossigeno che hanno precedentemente limitato il loro uso nella microelettronica. Separando le fasi di deposizione e di cristallizzazione, i ricercatori hanno allentato le richieste alle apparecchiature di produzione, aprendo una strada per integrare questi materiali intelligenti direttamente nei processi di back-end della produzione standard dei chip per computer. I film che hanno creato non sono solo una curiosità di laboratorio; sono un passo pratico verso la costruzione della prossima generazione di hardware neuromorfico che potrebbe un giorno alimentare l'intelligenza artificiale con una frazione dell'energia di cui necessita oggi.
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