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Simulazione da principi primi di materiali per la microelettronica

Marco Bernasconi

Materiali a cambiamento di fase per memorie non volatili

I materiali a cambiamento di fase (Ge2Sb2Te5 e altre leghe di calcogenuri) sono utilizzati nei supporti di  memoria ottica (DVDs) e più recentemente in memorie elettroniche  non-volatili  di nuova concezione, le memorie a cambiamento di fase (Phase Change Memories, PCM). Queste applicazioni sfruttano la rapida (10-100 ns) e reversibile trasformazione tra le fasi amorfa e cristallina di questi materiali indotta dal riscaldamento. I due stati della memoria possono essere discriminati grazie al grande contrasto in resistività elettrica e riflettività ottica tra le due fasi. L’attività di ricerca su questi materiali è condotta con  simulazioni atomistiche basate sulla Teoria del Funzionale Densità (DFT) che permettono di ottenere informazioni sulle proprietà strutturali, elettroniche, ottiche e dinamiche di questi sistemi. Modelli della fase amorfa di 300-500 atomi sono generati per raffreddamento dalla fase liquida con simulazioni di dinamica molecolare.

Bernasconi

Simulazioni su larga scala di questi materiali sono anche possibili grazie allo sviluppo di potentiali interatomici ottenuti dal fitting di grandi database di energie DFT con tecniche basate sulle rete neuronali (Neural Network). Simulazioni con diverse migliaia di atomi per decine di nanosecondi pemettono di  affrontare lo studio delle proprietà di trasporto termico alla nanoscala, della cinetica di cristallizzazione  e delle proprietà di nanonostruturazione di questi materiali.

Fononi di superficie in isolanti topologici


Alcuni dei materiali d’interesse per le applicazioni in memorie a cambiamento di fase sono anche isolanti topologici.  I materiali di questa classe sono isolanti in bulk, ma presentano delle bande elettroniche  con particolari proprietà topologiche che danno luogo alla formazione di stati metallici di superficie d’interesse anche per applicazioni in spintronica. I fononi di superficie e l’interazione elettrone-fonone di questi sistemi vengono studiati con tecniche di calcolo basate sulla teoria del funzionale della densità (DFT).