Memorie a cambiamento di fase per sistemi elettronici intelligenti

Il nostro Ateneo è partner del progetto BeforeHand “Boosting Performance of Phase Change Devices by Hetero- and Nano-Structure Material Design” (2019-2022), finanziato dalla Commissione Europea nel programma “Electronic Smart Systems ICT-2018-2020” di Horizon 2020. Il progetto ha come obiettivo lo sviluppo di nuovi dispositivi per le reti di sistemi elettronici intelligenti (Electronic Smart Systems) in grado di monitorare il loro ambiente di utilizzo, immagazzinare ed elaborare localmente l’informazione e comunicare con altri oggetti nella rete. In particolare, BeforeHand si propone di sviluppare dispositivi di memoria non volatile in grado di elaborare localmente l’informazione (in-memory computing) per applicazioni nel comparto automobilistico. Questi dispositivi sono basati su materiali a cambiamento di fase e cioè leghe di materiali calcogenuri, ad esempio GeSbTe, in grado di trasformarsi in modo rapido e reversibile tra la fase cristallina e amorfa per riscaldamento indotto da impulsi di corrente elettrica. I due stati, cristallino e amorfo, del materiale attivo hanno diversa conducibilità elettrica e corrispondono ai due stati della memoria che vengono letti con una misura di resistenza. Lo stesso principio è utilizzato nei dischi di memoria ottica Blu-ray in cui la transizione di fase è indotta dal riscaldamento con luce laser. Nei dischi ottici il laser permette anche di leggere lo stato della memoria con una misura di riflettività ottica. Le memorie elettroniche a cambiamento di fase basate sulle leghe GeSbTe sono sul mercato da una decina d’anni. Al momento questi dispositivi sono commercializzati dalle società Micron Technology e Intel, ma il materiale utilizzato finora non soddisfa i requisiti di stabilità in temperatura della fase amorfa necessari per le applicazioni automobilistiche.  Il progetto BeforeHand si propone di sviluppare nuovi materiali in grado di coniugare stabilità della fase amorfa ad alta temperatura con una rapida transizione di fase, sfruttando fenomeni di confinamento in eterostrutture a multistrato, formate da materiali diversi con spessori di pochi nanometri.  Questa nanostrutturazione permetterà di disegnare dispositivi con temperature di esercizio e parametri di programmazione per diversi Electronic Smart Systems. Il progetto, coordinato dalla dott.ssa Raffaella Calarco dell’istituto IMM del CNR, coinvolge altre sette unità di ricerca che includono il Paul Drude Institut di Berlino, le Università di Groeningen, Bordeaux e Roma Tor-Vergata, il centro di ricerca LETI di Grenoble, la società STMicroelectronics  e l’Università di Milano-Bicocca. Il consorzio dispone di diverse competenze e infrastrutture per la crescita di eterostrutture con epitassia da fasci molecolari o sputtering, per la caratterizzazione strutturale, elettrica e termica dei materiali e per la costruzione e il testing dei dispositivi. Il ruolo dell’unità di Milano-Bicocca nel progetto è fornire un supporto teorico con simulazioni atomistiche delle proprietà strutturali e funzionali delle nanostrutture realizzate dai partner sperimentali. Le simulazioni atomistiche utilizzano sia metodi di calcolo della struttura elettronica sia metodi di dinamica molecolare su larga scala (10.000 atomi per 10 ns) basati su tecniche di intelligenza artificiale.

Il progetto BeforeHand ha ricevuto finanziamento dal Programma Quadro per la Ricerca e Innovazione dell’Unione Europea Horizon 2020, Grant Agreement n° 824957.