I materiali a cambiamento di fase (Ge₂Sb₂Te₅ ed altre leghe di calcogenuri) sono utilizzati in memorie elettroniche non-volatili note come memorie a cambiamento di fase (Phase Change Memories, PCM) ed in dispositivi di calcolo neuromorfi.  Queste applicazioni sfruttano la rapida (10-100 ns) e reversibile trasformazione tra le fasi amorfa e cristallina di questi materiali indotta dal riscaldamento per effetto Joule. I due stati della memoria possono essere discriminati grazie al grande contrasto in resistività elettrica 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 con l’obiettivo di stabilire delle correlazioni tra la composizione della lega e le proprietà funzionali utilizzate nei dispositivi.

Simulazioni su larga scala di questi materiali sono anche possibili grazie allo sviluppo di potenziali interatomici ottenuti dal fitting di grandi basi di dati di energie DFT con tecniche di machine learning basate sulle reti neuronali. Questi potenziali permettono di simulare diverse proprietà funzionali di questi materiali come la cinetica di cristallizzazione ed il trasporto termico sulla scala temporale e spaziale di funzionamento dei dispositivi reali.

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 come anche di altri materiali semiconduttori e metallici vengono studiati con tecniche di calcolo basate sulla DFT, confrontando i risultati teorici con i dati sperimentali da misure di scattering di He di diversi gruppi sperimentali europei con cui collaboriamo.

I sistemi a bassa dimensionalità (2D o 1D) sono considerati promettenti alternative al silicio nei dispositivi elettronici di nuova generazione e forniscono soluzioni innovative nel campo della computazione quantistica. Sfruttando tecniche di calcolo high-throughput, ovvero lo studio da principi primi di centinaia o migliaia di materiali alla volta, è possibile selezionare i materiali più adatti per applicazioni specifiche con particolare enfasi sul trasporto e sulle proprietà d’interazione elettrone-fonone.

Prof. Giorgio Benedek
Prof. Marco Bernasconi
Dott. Davide Campi

Ubicazione: Locale Server, Piano Seminterrato, Edificio U5

Il laboratorio computazionale di Simulazioni da principi primi di materiali per la microelettronica è un laboratorio di calcolo scientifico parallelo dotato di un cluster con quattro nodi multiprocessore (64 core AMD per nodo) e connessione infiniband.