Targeted synthesis of polycrystalline vanadium dioxide thin films via post-deposition annealing

Moderne computers zijn ongelooflijk krachtig, maar ze zijn ook ongelooflijk hongerig naar elektriciteit. De manier waarop ze vandaag de dag worden gebouwd, scheidt het deel dat informatie onthoudt van het deel dat ermee rekent, waardoor data constant heen en weer moet reizen. Deze scheiding creëert een flessenhals die enorme hoeveelheden energie verspilt, vooral bij het proberen de menselijke hersenen na te bootsen, die van nature efficiënt zijn in het leren en herkennen van patronen. Om dit op te lossen, zoeken wetenschappers naar een nieuw soort elektronisch component dat zich gedraagt als een biologische neuron, in staat om snel aan en uit te schakelen terwijl het zeer weinig stroom verbruikt. Een veelbelovende kandidaat voor deze taak is een materiaal genaamd vanadiumdioxide, dat het unieke vermogen heeft om van aard te veranderen van een elektrische isolator naar een geleider bij een specifieke temperatuur, ongeveer de warmte van een hete zomerdag.

De uitdaging is altijd geweest hoe men dunne films van dit materiaal kan maken op een manier die past binnen de standaard computerproductie. Traditionele methoden vereisen het verhitten van het materiaal tot hoge temperaturen terwijl het in zuurstof wordt gebaad, een proces dat moeilijk te controleren is en vaak niet compatibel is met de delicate lagen die al aanwezig zijn op moderne computerchips. Onderzoekers aan het Moscow Institute of Physics and Technology en andere Russische instituten hebben nu een zachtere, preciezere manier gevonden om deze films te creëren. In plaats van het materiaal te dwingen zich te vormen in een hete, zuurstofrijke omgeving, hebben zij een tweetraps proces ontwikkeld dat begint op kamertemperatuur en eindigt in een vacuüm.

Het team begon door een krachtige laser op een blok puur metallisch vanadium te schieten in een kamer gevuld met een kleine hoeveelheid zuurstofgas. De laser verdampte het metaal, waardoor een wolk van minuscule deeltjes op een siliciumwafer terechtkwam die bedekt was met een laag glas. Omdat het substraat op kamertemperatuur werd gehouden, landden de deeltjes en vormden ze een dunne, amorfe film, wat betekent dat de atomen ongeordend en chaotisch waren, vergelijkbaar met de moleculen in een vloeistof die onmiddellijk is bevroren. Op dit stadium was de film nog niet de nuttige vanadiumdioxide die de onderzoekers nodig hadden; het was een mengsel van verschillende zuurstofniveaus en het miste de kristalstructuur die vereist is om als schakelaar te functionen.

Om deze ongeordende film te transformeren, plaatsten de wetenschappers het monster terug in de vacuümkamer en verhitten het tot net onder de 500 graden Celsius voor twintig minuten. Deze verhittingsstap fungeerde als een gecontroleerde reductie, waarbij zuurstofatomen uit de film ontsnapten naar het vacuüm, waardoor de chemische balans van het materiaal veranderde. Door de hoeveelheid zuurstof aanwezig tijdens de initiële laserdepositie zorgvuldig aan te passen, kon het team het uiteindelijke resultaat nauwkeurig afstemmen. Ze ontdekten dat als de zuurstofdruk te hoog was, de film te geoxideerd bleef, en als deze te laag was, het materiaal ongeordend bleef. Echter, bij een specifieke druk tussen 1,60 en 1,65 pascal produceerde de vacuüm-annealing een film die bijna volledig de juiste kristallijne fase van vanadiumdioxide was.

De resultaten bevestigden dat deze nieuwe methode precies werkt zoals bedoeld. Wanneer de onderzoekers de film onderzochten met röntgenstraling en laserlicht, zagen ze de duidelijke patronen van een zuivere kristal, vrij van de andere ongewenste chemische fasen die deze materialen vaak contamineren. Wanneer ze de elektrische eigenschappen testten, gedroeg de film zich exact als een slimme schakelaar. Wanneer de temperatuur steeg naar ongeveer 63 graden Celsius, veranderde het materiaal plotseling van het blokkeren van elektriciteit naar het geleiden ervan. Wanneer ze een kleine spanning toepasten op een apparaat gemaakt van deze film, zou het plotseling overschakelen van een staat met een hoge weerstand naar een staat met een lage weerstand en vervolgens weer terugspringen, waarbij het vuren van een neuron wordt nagebootst. Deze schakeling gebeurde bij zeer lage voltages en met een hoge weerstandsratio, wat ideaal is voor het bouwen van energiezuinige kunstmatige neuronen.

Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om hoogwaardige vanadiumdioxidefilms te creëren zonder de harde verhitting en zuurstofomstandigheden die eerder het gebruik ervan in micro-elektronica hebben beperkt. Door de depositie en de kristallisatiestappen te scheiden, hebben de onderzoekers de eisen aan de productieapparatuur versoepeld, wat een pad opent naar de integratie van deze slimme materialen direct in de back-end processen van de standaardproductie van computerchips. De films die zij creëerden zijn niet slechts een laboratoriumcuriositeit; ze zijn een praktische stap naar het bouwen van de volgende generatie neuromorfe hardware die er op een dag kunstmatige intelligentie zou kunnen voeden met slechts een fractie van de energie die het vandaag de dag verbruikt.