Vanadium-dioxide thin film based nanoelectronics  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
110867
Type NN
Principal investigator Mizsei, János
Title in Hungarian Vanádium-dioxid vékonyréteg nanoelektronika
Title in English Vanadium-dioxide thin film based nanoelectronics
Keywords in Hungarian fém-szigetelő fázisváltás, MIT eszköz, nanoelektronika, termikus-elektromos integrált áramkör
Keywords in English metal-insulator transition, MIT device, nanoelectronics, thermal electronic integrated circuit
Discipline
Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Department of Electron Devices (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Bognár, György
Földváry-Bándy, Árpád
Földváry-Bándy, Enikő
Juhász, László
Plesz, Balázs
Szabó, Péter Gábor
Szalai, Albin
Székely, Vladimir
Végh, Gerzson
Zólomy, Imre
Starting date 2014-04-01
Closing date 2018-07-31
Funding (in million HUF) 41.838
FTE (full time equivalent) 15.24
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás célja fém-félvezető fázisátalakulásra („semiconductor metal transition”, SMT) képes anyag(ok)ból felépített rétegszerkezetek előállítási technológiája, viselkedése, tulajdonságai, mikroelektronikai és nanoelektronikai alkalmazhatósága kapcsolóeszközként, a fázisátalakulás hatásának termikus-elektromos modellezése. Ilyen SMT anyag a vanádium-dioxid, amely 60 és 70 oC közötti (tipikusan 68 oC) hőmérsékleten megy át fázisátalakuláson. Ezt a fázisátalakulást már 20 nm-es vastagságú vékonyrétegen is kimutatták. A fém-félvezető fázisátalakulás az anyag számos tulajdonságában okoz radikális változást (több nagyságrendnyi ellenállás-változás, optikai adszorpció, reflexió). Ezek a változások várhatóan sok területen teszik alkalmazhatóvá az anyagot illetve a jelenséget.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Az optikai és érzékelési célú alkalmazáson túlmenően a hőmérsékletnövelésre erős ellenállás csökkenéssel (bekapcsolással) reagáló anyagból készített ellenállás megfelelő táplálás esetén a sajátmagán fejlődő hő következtében bekapcsolva marad (karakterisztikája tirisztorszerű). Ez új mikroelektronikai (nanoelektronikai) eszköz, s egyben termikus-elektronikus mikrorendszer jól vizsgálható modellje. A kutatás alapkérdései: az SMT jelenség, a hőfejlődéssel vezérelhető eszköz (fonzisztor) megvalósíthatósága, jellemzői, méretcsökkentésének elvi és technológiai korlátai.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az eredmények alapján új elektronikus eszköz és integrált áramkör fejlesztése indulhat meg. Az új elektronikus eszköz működése tömbi tulajdonságokon alapul, szemben a CMOS áramkörök működésével, melyekben a határfelületeknek van kitüntetett szerepe. Az új eszköz mérete az előbbiek alapján kisebb lehet, valamint a karakterisztikából adódóan az eszköz funkcionálisan kettő, vagy több tranzisztorral egyenértékű.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A fém-félvezető fázisátalakulásra képes anyagból készített rétegszerkezetek tulajdonságainak vizsgálata során többek között új (aktív) elektronikai eszköz megvalósítására nyílik lehetőség. Ezzel az eszközzel meg lehet kísérelni a további méretcsökkentést a jelenlegi félvezető memóriák és logikai áramkörök méreteihez képest. Az új, termikus-elektromos elven működő fonon-tranzisztor ("fonzisztor") valószínűleg széles körben lesz használható az elektronikában a nanométeres geometriai mérettartományig.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The target of the recent project can be summarised as follows: „semiconductor metal transition” (SMT) effect in layered structures, technology and application of these structures in the microelectronics and nanoelectronics as switching device, computer simulation of the SMT thermo-electric devices and circuits. One example for the SMT is the vanadium dioxide, which suffers phase transition at 68 oC. The SMT was demonstrated down to 20nm film thickness. SMT effect results in change of optical properties (reflexion, adsorption) and extremely high change in the specific resistance.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Beside possible application as thermal sensors and thermal-optical devices SMT-materials can be applied for thermal-electronic switching devices. The SMT resistors have thyristor like characteristics due to self heating effect. This structure can be considered as a new electro-thermal micro/nano device. Complex layer structure may act as a good model for electro-thermal microsystem in general. Basic topics of this project are: the SMT effect, feasibility of thermally controllable electron devices (phonsistors), characteristics and scale down possibilities of phonsistors.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Investigation of the SMT effect opens perspectives for developing a new type of electron devices and integrated circuits. The operation of the new thermal-electronic device is related to bulk effects, while the operation of the up to date MOS/CMOS transistors are surface/interface controlled devices. The new bulk type electronic-thermal device (phonsistor) contains less interfaces and it is functionally equivalent to two or more transistors.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Investigations on „semiconductor metal transition” (SMT) effect may result in basic information about phase transition phenomena. A new electron device (phonsistor) can be developed using practical and theoretical results of SMT investigations. This new device could be scaled down better than conventional transistors, resulting in higher integration possibility of VLSI circuits. The new, thermal-electric device (phonsistor) may have broad application area in the electronics down to the nanometer range.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Aszokásos analóg és digitális áramkörökben a jelfeldolgozás kizárólag villamos jelekre korlátozódik. Az elektronikus eszközök állapotára ugyanakkor a termikus viszonyok is jellemzőek. Nanométeres méretskálán a hőterjedés is nagyon gyors lehet, ezért gyorsan fejlődő tématerület a termikus elvű számítórendszerek fejleszése. Egyúj, termikus - elektromos aktív eszközt és az azt tartalmazó integrált áramkört javasoltunk, szabadalmaztattunk és valósítottunk meg (fonzisztor = fonon tranzisztor). A termikus elektromos eszköz működésének alapja a termikus illetve forró elektron csatolás fém-szigetelő átmenetre (félvezető-fém átmenetre) képes anyagokból (pld. VO2) készített elemek között. Az ilyen eszközök fizikai megjelenése és működése is valamelyest analóg az idegsejt működésével.
Results in English
Conventional analog and digital electronics are based only on electric signal processing. However, the thermal state of an electron device may represent information too. At the nanometer scale, heat propagation can be extremely fast, which makes thermal computing an emerging field of research. We proposed, patented and relised a new active device (phonon transistor = phonsistor) and a phonsistor based thermal electric logic circuit (TELC). The basis of TELC operation is the thermal or hot electron coupling between electron devices containing metal-insulator transition (MIT) or semiconductor-metal transition (SMT) material, i.e. VO2. The physical appearance and the operation of TELC are somewhat analogous with the neuron.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=110867
Decision
Yes





 

List of publications

  
Dr. Mizsei, János: Thermal-electric Logic Circuit: A Solution for Nanoelectronics, 2nd International Conference on Signal Processing and Integrated Networks, 19-20 February, 2015, Amity School of Engineering and Technology, India, 2015
J Mizsei, Marton C Bein, J Lappalainen, L Juhász, B Plesz: The phonsistor - a novel VO2 based nanoscale thermal-electronic device and its application in thermal-electronic logic circuits (TELC), In: 1st International Conference Functional Integrated nano Systems Conference Documentation . Graz, Ausztria, 2014.12.03-2014.12.05. Kiadvány: 2014. pp. 1, 2014
János Mizsei, Márton C Bein, Jyrki Lappalainen, László Juhász: Scaling of Thermal-Electronic Logic Circuits, In: Chris Bailey, Marta Rencz, Bernhard Wunderle (szerk.) Proceedings of the 20th International Workshop on THERMal INvestigation of ICs and Systems (THERMINIC'14), 2014
Mizsei János, Jyrkki Lappalainen: Logikai elrendezés, Lajstromszám: P 12 00249 Benyújtás helye: Magyarország, 2014
J Mizsei, M C Bein, J Lappalainen, L Juhász: Thermal-electronic logic circuits: Scaling down, MICROELECTRON J 46: (12 A) 1175-1178, 2015
J Mizsei, M C Bein, J Lappalainen, L Juhász, B Plesz: The Phonsistor – A Novel VO2 Based Nanoscale Thermal-electronic Device and Its Application in Thermal-electronic Logic Circuits (TELC), MATER TOD PROC 2: (8) 4272-4279, 2015
Janos Mizsei, Laszlo Juhasz, Marton C Bein: Thermal nanoelectronics, EuroNanoForum 2015 conference (ENF 2015) 10-12 June 2015, Riga, Latvia (poszter, 1A-29, Best Poster Award) , 2015
János Mizsei, Márton C Bein, Jyrki Lappalainen, László Juhász: Thermal-Electronic Circuits: Basics, Simulations, Experiments, In: Chris Bailey, Bernhard Wunderle, Sebastian Volz (szerk.) (szerk.) Proceedings of the 21st International Workshop on THERMal INvestigation of ICs and Systems (THERMINIC'15) . Paris, Franciaország, 2015.09.30-2015.10.02. Kiadvány: Paris: 2015. Paper 2_4_id146. , 2015
Mizsei J, Bein M C, Juhasz L, Jelinek E: Thermal-electronic devices and thermal-electronic logic circuits (TELC), In: J Nicholics (szerk.) (szerk.) 38th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE). New York: IEEE, 2015. pp. 61-65., 2015
Mizsei János, Jyrkki Lappalainen: Logikai elrendezés, Lajstromszám: P 12 00249 Benyújtás helye: Magyarország, 2014
Mizsei J, Bein M C, Juhasz L, Jelinek E: Thermal-electronic devices and thermal-electronic logic circuits (TELC), In: J Nicholics (szerk.) (szerk.) 38th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE). New York: IEEE, 2015. pp. 61-65., 2015
János Mizsei, Jyrki Lappalainen, Laszló Pohl: Active thermal-electronic devices based on heat-sensitive metal-insulator-transition resistor elements, SENSOR ACTUAT A PHYS 267: 14-20, 2017
László Pohl, Soma Ur, János Mizsei: Thermoelectrical modelling and simulation of devices based on VO2, MICROELECTRON RELIAB 79: 387-394, 2017
J Mizsei, J Lappalainen: Thermal-electronic Integrated Circuits Using Thermally Sensitive VO2 MIT Material, PROCEDIA ENGINEERING 168: 1070-1073, 2016
J Mizsei, J Lappalainen, S Ur, M Németh, L Gaál: Thermal - electronic device and integrated circuit, In: IEEE Proceedings of the 16th International Conference on Nanotechnology. New York: IEEE, 2016. pp. 966-969., 2016
Soma Ur, János Mizsei, László Pohl: Modelling of the Thermoelectrical Performance of Devices Based on VO2, In: András Poppe (szerk.) Proc of the 22nd International Workshop on THERMal INvestigation of ICs and Systems (THERMINIC'16). Budapest, 2016. pp. 307-310., 2016
János Mizsei, Jyrki Lappalainen, Laszló Pohl: Active thermal-electronic devices based on heat-sensitive metal-insulator-transition resistor elements, SENSOR ACTUAT A PHYS 267: 14-20, 2017
László Pohl, Soma Ur, János Mizsei: Thermoelectrical modelling and simulation of devices based on VO2, MICROELECTRON RELIAB 79: 387-394, 2017
J Mizsei, M C Bein, J Lappalainen, L Juhász: Thermal-electronic logic circuits: Scaling down, MICROELECTRON J 46: (12 A) 1175-1178, 2015




 

Events of the project

  
2016-09-15 13:33:55
Résztvevők változása
2016-05-27 10:27:18
Résztvevők változása



Back »