Zephyrnet-logo

Innovatief ferro-elektrisch materiaal kan geheugenapparaten van de volgende generatie mogelijk maken

Datum:

Juni 22, 2022

(Nanowerk Nieuws) Ferro-elektrische materialen zijn stoffen met spontane elektrische polarisatie. Polarisatie verwijst naar de scheiding van de negatieve en positieve ladingen in een materiaal. Voor ferro-elektrische materialen betekent dit dat het "geheugen" van de eerdere toestand van het materiaal (hysterese genoemd) informatie kan opslaan op een manier die vergelijkbaar is met magnetische opslagapparaten zoals harde schijven. Ferro-elektrische materialen op basis van het element hafnium zijn veelbelovend omdat ze beter compatibel zijn met de huidige siliciumcomputercircuits dan andere potentiële materialen. In het verleden bereikten onderzoekers ferro-elektriciteit op ultradunne films. Deze films kunnen kwetsbaar en moeilijk te gebruiken zijn. Wetenschappers hebben nu het eerste experimentele bewijs gerapporteerd van ferro-elektriciteit bij kamertemperatuur in kristallen gemaakt van een op hafnium gebaseerde verbinding, bulk met yttrium gedoteerd hafniumdioxide (Natuur materialen, “Kinetisch gestabiliseerde ferro-elektriciteit in bulk monokristallijn HfO2:J”). De structuur van met yttrium (gedeeltelijk gearceerde oranje) gedoteerde hafnia-dioxidekristallen vertoont ferro-elektrische polarisatie (blauwe pijlen) die van richting verandert als het externe elektrische veld wordt omgekeerd. (Afbeelding": Oak Ridge National Laboratory) Op Hafnia gebaseerde ferro-elektrische materialen hebben veel voordelen voor het computergeheugen. Ze bieden hoge snelheid, duurzaamheid, lager bedrijfsvermogen en de mogelijkheid om gegevens te behouden wanneer de stroom is uitgeschakeld. Onderzoekers begrijpen deze materialen echter niet volledig. Dit onderzoek ontwikkelde een innovatief, op hafnia gebaseerd ferro-elektrisch materiaal in bulk. De resultaten geven inzicht in hoe deze materialen zich gedragen en hoe ze te beheersen. De resultaten verwijderen ook de maximale grootte van de materialen, waardoor dergelijke materialen gemakkelijker te gebruiken zijn in toepassingen in de echte wereld. De grote steekproefomvang zal verdere experimenten helpen om de ferro-elektrische eigenschappen van het materiaal beter te begrijpen. Dit zal op zijn beurt onderzoekers helpen bij het maken van niet-vluchtige geheugenapparaten van de volgende generatie. Mede-oprichter van Intel, Gordon Moore, stelde in 1965 dat het aantal transistors op een computerchip elke twee jaar zou verdubbelen, een voorspelling die bekend staat als de wet van Moore. Chipfabrikanten hebben sindsdien dit tempo van miniaturisatie kunnen handhaven, maar worden geconfronteerd met toenemende uitdagingen als gevolg van de natuurwetten. Op Hafnia gebaseerde ferro-elektrische materialen kunnen helpen om niet-vluchtige geheugenapparaten verder te miniaturiseren, maar onderzoekers hebben geen bulkvorm van het materiaal ontwikkeld. Het nieuwe, in dit onderzoek ontwikkelde, met ferro-elektrische, met yttrium gedoteerde hafniumdioxide in bulk, zou een dergelijke ontwikkeling mogelijk kunnen maken, wat zou leiden tot meer gebruik van hafnia op computerchips en een uitbreiding van de wet van Moore. Een team van onderzoekers onder leiding van de Rutgers University voerde neutronenpoederdiffractiemetingen uit op met yttrium gedoteerd hafniumdioxide met behulp van de POWGEN, een poederdiffractometerinstrument voor algemeen gebruik bij de Spallation Neutron Source, een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy (DOE) in het Oak Ridge National Laboratory ( ORNL). POWGEN is een neutronenpoederdiffractometer met hoge resolutie waarmee de kristal-, magnetische en lokale structuren van nieuwe polykristallijne materialen kunnen worden gekarakteriseerd. Het team synthetiseerde eenkristallen van met yttrium gedoteerd hafniumdioxide op verschillende yttrium-dopingniveaus en vermaalde ze tot poeder voor karakterisering. POWGEN-gegevens toonden aan dat bij bepaalde dopingniveaus de bulkfasen stabiel waren en de zuurstofatomen verschoven om omkeerbare polarisatie mogelijk te maken, waardoor de ferro-elektriciteit van de hafnia bij kamertemperatuur werd bevestigd. Andere metingen, waaronder polarisatie-elektrisch veld hysteresislus en computersimulaties, ondersteunden de structurele analyses, wat een belangrijke stap voorwaarts betekende in de richting van toekomstige op hafnia gebaseerde technologieën.

spot_img

Laatste intelligentie

spot_img