操作されたハフニアが次世代記憶装置への道を開く

2024 年 1 月 22 日

(Nanowerkニュース) 科学者や技術者は過去 10 年間、酸化ハフニウム (ハフニア) と呼ばれるとらえどころのない強誘電体材料を活用して、次世代のコンピューティングメモリの先駆けを目指してきました。ロチェスター大学のソビット・シンを含む研究者チームは、 米国科学アカデミー紀要 調査（「バルクHfOの構造相精製」2圧力サイクルによる:Y」) バルク強誘電体および反強誘電体ハフニアをさまざまな用途に使用できるようにするための進歩を概説します。特定の結晶相では、ハフニアは強誘電特性、つまり、外部電場を加えることで一方向または別の方向に変化できる電気分極を示します。この機能はデータストレージテクノロジで利用できます。コンピューティングで使用される場合、強誘電体メモリには不揮発性という利点があり、電源がオフになってもその値が保持されます。これは、現在使用されているほとんどのタイプのメモリに勝るいくつかの利点の 1 つです。特定の結晶相では、酸化ハフニウムまたはハフニアは、科学者が長年にわたって利用しようとしてきた強誘電特性を示します。ロチェスター大学の理論家たちは、バルク強誘電体および反強誘電体ハフニアを高性能コンピューティングを含むさまざまな用途に利用できるようにするための重要な一歩を踏み出すことに貢献しました。 (画像: ロチェスター大学のイラスト / Michael Osadciw) 「ハフニアは、コンピューター技術、特にデータストレージへの実用的な用途があるため、非常に興味深い材料です」と機械工学科の助教授であるシン氏は言います。「現在、データを保存するために私たちは磁気形式のメモリを使用していますが、これは速度が遅く、動作に多くのエネルギーを必要とし、あまり効率的ではありません。強誘電体メモリは堅牢かつ超高速で、製造コストが安く、エネルギー効率が高いのです。」しかし、理論計算を行って材料特性を量子レベルで予測するシン氏は、バルクハフニアは基底状態では強誘電体ではないと言う。最近まで、科学者はハフニアをナノメートルの厚さの薄い二次元膜として歪ませる場合にのみ、ハフニアを準安定な強誘電状態にすることができました。 2021年、シン氏はラトガース大学の科学者チームの一員として、ハフニアをイットリウムと合金化し、急速に冷却することでハフニアを準安定な強誘電状態に維持させた。しかし、このアプローチにはいくつかの欠点がありました。「望ましい準安定相に到達するには、大量のイットリウムが必要でした」と彼は言います。「つまり、我々は目標を達成した一方で、結晶に多くの不純物や無秩序を導入していたために、材料の重要な特徴の多くを妨げていたのです。問題は、得られる材料の特性を改善するために、可能な限り少ないイットリウムでどのように準安定状態に到達できるかということでした。」新しい研究でシン教授は、かなりの圧力を加えることで、バルクのハフニアを準安定の強誘電体および反強誘電体で安定化できると計算した。どちらも次世代のデータおよびエネルギー貯蔵技術での実用化に興味深いものである。テネシー大学ノックスビル校のジャニス・マスフェルト教授率いるチームは高圧実験を実施し、予測された圧力では材料が準安定相に変化し、圧力を取り除いてもそこに留まることが実証された。「これは実験と理論のコラボレーションの優れた例です」とマスフェルト氏は言う。新しいアプローチでは、安定剤の約半分のイットリウムしか必要としなかったので、成長したハフニア結晶の品質と純度が大幅に向上しました。現在、シン氏と他の科学者らは、強誘電体ハフニアを大量に製造して広く使用する方法を発見するまで、イットリウムの使用量をどんどん減らしていくつもりだと述べている。