Modeling correlated materials for future devices
- Reference number
- ICA16-0037
- Start and end dates
- 170901-210930
- Amount granted
- 4 000 000 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The following three research objectives (ROs) constitutes the basis of the work plan: 1."Develop and deliver unique general purpose software for first-principles simulations of realistic Nano-devices up to tens of nanometers in size and up to tens of picoseconds of operating time including external electromagnetic fields. Expected delivery within the first two years. 2."Explore the impact of reduced dimensionality and external fields on phase transitions in transition metal oxide (TMO) heterostructures, with focus on developing feasible memristor devices and ultrafast transistors. The work will result in component models with material specific parameters. 3."Create and deliver an open access database for the properties of interfaces between TMOs. Due to the complex phase diagrams of these materials, a database would offer significant aide to experimental characterization of these materials, in collaboration with for example neutron scattering techniques. Software capabilities are already in place, adding material to the database will be an ongoing activity throughout the project. Experimental reconnection is crucial for the above mentioned ROs. Pump-probe spectroscopy of excited states dynamics will be important for testing the implementation and the design. Stability of heterostructures and subsequent phase determination will be tested against for example molecular beam epitaxy/atomic layer deposition and neutron scattering/photoemission spectroscopy.
Popular science description
Dagens samhälle är till stor del beroende av digital teknik. Tekniken används i allt från handhållen elektronik till optimering av bränsleförbrukning i bilar, industriprocesser och inte minst kommunikation. Förbättrad teknik är av stor vikt för bättre resursutnyttjande i en värld med växande befolkning. Vidareutveckling av tekniken som dagens elektronik bygger på försvåras av den stora energiåtgången i dagens kiselbaserade processorer, samt de komplikationer som uppstår då transistorernas dimensioner sjunker till någon hundratusendel av ett hårstrås tjocklek. Det finns däremot goda förutsättningar för att använda en helt annan mekanism, vanligt förekommande i oxiderade metaller. En så kallad metall-isolator övergång som kan åstadkommas med till exempel små elektromagnetiska fält eller elektrisk ström. Dessutom bildar dessa oxider, under vissa förhållanden, spontant självorganiserande strukturer som är idealiska för framtidens komponenter. Problematiken ligger i att vi saknar tillräcklig förståelse av fysiken i dessa nanostrukturer. Mycket av den expertis som byggts upp för att modellera traditionella halvledare är heller inte tillämpbar på dessa material, då funktionen bygger på en annan fysikalisk mekanism. Jag ansöker här om anslag för att utveckla en ny generations modelleringsverktyg som krävs för att svensk kommunikations- och hårdvaruindustri ska fortsätta att vara världsledande. Metoderna bygger på beräkningar som inte kräver att materialparametrar bestäms med experiment, utan tas fram med hjälp av att lösa den kvantmekaniska beskrivningen av materialet. Sedan tas en semiklassisk beskrivning fram, som kan användas för att snabbt se vilka materialprocesser som är relevanta för att kontrollera ett visst fysikaliskt förlopp. På grund av närheten till relevant experimentell expertis, samt företag och institut som Ericsson och ACREO, är KTH och Skolan för informations- och kommunikationsteknik den mest lämpliga platsen att driva projektet.