复杂的氧化物可以为未来的计算机提供动力

这些是由Job van Rijn（上图）和Anouk Goossens（下图）创建的“超越CMOS”的计算机架构设备

随着标准微芯片的发展即将结束，科学家们正在寻找一场革命。最大的挑战是设计更节能的芯片，以及设计结合存储器和逻辑的设备（忆阻器）。荷兰格罗宁根大学的材料科学家在两篇论文中描述了如何使用复杂的氧化物来制造非常节能的磁电自旋轨道（MESO）器件和尺寸更小的忆阻器件。

经典硅基计算机的发展正在接近其极限。为了实现进一步的小型化和降低能耗，需要不同类型的材料和架构。

格罗宁根大学Zernike先进材料研究所功能材料自旋电子学教授Tamalika Banerjee正在研究一系列量子材料来创造这些新设备。“我们的方法是研究这些材料及其界面，但始终关注应用，例如存储器或存储器与逻辑的结合。

更高效

Banerjee小组先前演示了掺杂钛酸锶如何用于制造记忆和逻辑相结合的忆阻器。他们最近发表了两篇关于“超越CMOS”器件的论文，互补金属氧化物半导体是当今计算机芯片的基石。

替代CMOS的一个候选器件是磁电自旋轨道（MESO）器件，其效率可能提高10至30倍。已经研究了几种材料在制造这种装置中的适用性。

“它是一种多铁性材料，将自旋电子学和基于电荷的效应耦合在一起，”van Rijn解释道。自旋电子学基于电子的自旋（磁矩）。

Banerjee说，“这种材料中的磁性和电荷顺序是耦合的，所以我们可以用电场切换磁性，用磁场切换极化。”重要的是，这些效应在接近室温的温度下存在。Van Rijn正在研究这两种效应之间的强耦合。“我们知道，铁磁性和铁电性可以通过拉紧SMO薄膜来调节。这种拉紧是通过在不同的衬底上生长薄膜来实现的。”

应变

Van Rijn（Banerjee小组的博士生）研究了应变如何在材料中诱导铁电性以及它如何影响磁序。他分析了应变膜中的结构域，并注意到磁相互作用在很大程度上取决于晶体结构，特别是氧空位，这改变了磁序的首选方向。

“自旋输运实验使我们得出结论，磁畴在由这种材料制成的设备中起着积极的作用。因此，这项研究是确定锰酸锶在新型计算架构中的潜在用途的第一步。

Goossens（基于铌掺杂钛酸锶（SrTiO）的忆阻器小型化这一论文的第一作者）之前证明，使用STO可以创建“内存逻辑”设备。她最新的论文表明，缩小这些设备的规模是可能的。忆阻器的一个常见问题是其性能受到小型化的负面影响。令人惊讶的是，用STO制造更小的忆阻器会增加高阻比和低阻比之间的差异。

Goossens说:“我们使用扫描透射电子显微镜研究了这种材料，并注意到在衬底和设备电极之间的界面上存在大量的氧空位。”“在施加电压后，我们注意到氧空位的移动，这是控制电阻状态的关键因素。”

结论是增强的性能来自边缘效应，这对正常的内存是不利的。但在STO中，边缘增加的电场实际上支持忆阻器的功能。Goossens总结道:“对于我们来说，优势在于设备本身。“此外，确切的性能取决于铌掺杂量，因此该材料可用于不同的目的。”