Un nuevo estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Minnesota Twin Cities proporciona nuevos conocimientos sobre cómo los dispositivos electrónicos de próxima generación, incluidos los componentes de memoria de las computadoras, se descomponen o degradan con el tiempo. Comprender las causas de la degradación puede ayudar a mejorar la eficiencia de las soluciones de almacenamiento de datos.
El estudio fue publicado ACS NanoUna revista científica revisada por pares y que aparece en la portada de la revista.
Los avances en la tecnología informática continúan aumentando la demanda de soluciones eficientes de almacenamiento de datos. Las uniones de túnel magnético espintrónicas (MTJ), dispositivos nanoestructurados que utilizan el espín de los electrones para mejorar los discos duros, sensores y otros sistemas microelectrónicos, incluida la memoria magnética de acceso aleatorio (MRAM), constituyen opciones prometedoras para la próxima generación de dispositivos de memoria.
Los MTJ han sido los componentes básicos de la memoria no funcional en productos como relojes inteligentes y computación en memoria que son prometedores para aplicaciones que mejoren la eficiencia energética en la IA.
Utilizando un sofisticado microscopio electrónico, los investigadores observaron nanopilares dentro de estos sistemas, que son capas transparentes extremadamente pequeñas dentro del dispositivo. Los investigadores pasan corriente a través del dispositivo para ver cómo funciona. A medida que aumentaron la corriente, pudieron observar cómo el dispositivo se degradaba y finalmente moría en tiempo real.
“Los experimentos de microscopía electrónica de transmisión (TEM) en tiempo real pueden ser un desafío, incluso para investigadores experimentados”, dijo el Dr. Huanhui Yun, primer autor del artículo e investigador asociado postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Universidad de Minnesota. “Pero después de decenas de fallos y optimizaciones, se produjeron muestras funcionales de forma consistente”.
Al hacerlo, descubrieron que con una corriente constante, las capas del dispositivo se pellizcaron con el tiempo y provocaron que el dispositivo no funcionara correctamente. Estudios anteriores han teorizado sobre esto, pero esta es la primera vez que los investigadores pueden observar el fenómeno. Una vez que el dispositivo forma un “pinhole” (pellizco), se encuentra en las primeras etapas de degradación. A medida que los investigadores continuaron agregando más corriente al dispositivo, este se derritió y se quemó por completo.
“Lo inusual de este descubrimiento es que lo vimos ardiendo a una temperatura mucho más baja de lo que se había pensado en estudios anteriores”, dijo Andre Mkhwan, autor principal del artículo y profesor y catedrático Ray D. y Mary T. Johnson de la Universidad. del Departamento de Ingeniería Química y Ciencias de Materiales de Minnesota. “Las temperaturas fueron aproximadamente la mitad de lo que se esperaba anteriormente”.
Al observar más de cerca el dispositivo a escala atómica, los investigadores se dieron cuenta de que los elementos diminutos tienen propiedades muy diferentes, incluidas las temperaturas de fusión. Esto significa que el dispositivo fallará por completo en un período de tiempo muy diferente que nadie conoce antes.
“Existe una gran demanda para comprender las interfaces entre capas en tiempo real en situaciones de trabajo reales, como la aplicación de corriente y voltaje, pero nadie ha alcanzado este nivel de comprensión antes”, dijo Jian-Ping Wang, autor principal del artículo. y del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota. Profesor distinguido McKnight y catedrático Robert F. Hartman del departamento.
“Estamos muy contentos de decir que el equipo ha descubierto algo que tendrá un impacto directo en la próxima generación de dispositivos microelectrónicos para nuestra industria de semiconductores”, añadió Wang.
Los investigadores esperan que este conocimiento pueda utilizarse para mejorar el diseño de futuras unidades de memoria de computadora para aumentar la longevidad y la eficiencia.
Además de Yun, Emkhwan y Wang, el equipo incluyó al investigador postdoctoral Dewan Liu del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota, el investigador asociado Yang Lv, el ex investigador postdoctoral Brandon Zink e investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Arizona. .
Este trabajo fue financiado por SMART, uno de los siete centros de nCORE, un programa de Semiconductor Research Corporation financiado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST); Fondo de Subvenciones de Ayuda de la Universidad de Minnesota; Fundación Nacional de Ciencias (NSF); y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA). El trabajo se realizó en colaboración con el Centro de Caracterización de la Universidad de Minnesota y el Nano Center de Minnesota.