Manipuleret hafnia baner vejen for næste generations hukommelsesenheder

Forskere og ingeniører har presset på i det sidste årti for at udnytte et undvigende ferroelektrisk materiale kaldet hafniumoxid eller hafnia til at indvarsle den næste generation af computerhukommelse. Et team af forskere, herunder University of Rochester's Sobhit Singh, offentliggjorde en undersøgelse i Proceedings of the National Academy of Sciences skitserer fremskridt hen imod at gøre bulk ferroelektriske og antiferroelektriske hafnia tilgængelige til brug i en række forskellige applikationer.

I en specifik krystalfase udviser hafnia ferroelektriske egenskaber - det vil sige elektrisk polarisering, der kan ændres i en eller anden retning ved at påføre et eksternt elektrisk felt. Denne funktion kan udnyttes i datalagringsteknologi. Når den bruges i databehandling, har ferroelektrisk hukommelse fordelen ved ikke-flygtighed, hvilket betyder, at den bevarer sine værdier, selv når den er slukket, en af ​​flere fordele i forhold til de fleste typer hukommelse, der bruges i dag.

"Hafnia er et meget spændende materiale på grund af dets praktiske anvendelser inden for computerteknologi, især til datalagring," siger Singh, adjunkt ved Institut for Maskinteknik. "I øjeblikket bruger vi magnetiske former for hukommelse, der er langsomme, kræver meget energi at fungere og ikke er særlig effektive. Ferroelektriske hukommelsesformer er robuste, ultrahurtige, billigere at producere og mere energieffektive. ."

Men Singh, som udfører teoretiske beregninger for at forudsige materialeegenskaber på kvanteniveau, siger, at bulk hafnia ikke er ferroelektrisk i sin grundtilstand. Indtil for nylig kunne forskere kun få hafnia til sin metastabile ferroelektriske tilstand, når de belastede den som en tynd, todimensionel film af nanometer tykkelse.

I 2021 var Singh en del af et team af forskere ved Rutgers University, der fik hafnia til at forblive i sin metastabile ferroelektriske tilstand ved at legere materialet med yttrium og hurtigt afkøle det. Alligevel havde denne tilgang nogle ulemper. "Det krævede meget yttrium at nå til den ønskede metastabile fase," siger han.

"Så mens vi opnåede det, vi gik efter, hæmmede vi samtidig mange af materialets nøglefunktioner, fordi vi introducerede en masse urenheder og uorden i krystallen. Spørgsmålet blev, hvordan kan vi komme til det. metastabil tilstand med så lidt yttrium som muligt for at forbedre det resulterende materiales egenskaber?"

I den nye undersøgelse beregnede Singh, at man ved at påføre et betydeligt tryk kunne stabilisere bulk hafnia i dens metastabile ferroelektriske og antiferroelektriske former - som begge er spændende til praktiske anvendelser i næste generations data- og energilagringsteknologier.

Et hold ledet af professor Janice Musfeldt ved University of Tennessee, Knoxville, udførte højtryksforsøgene og demonstrerede, at materialet ved det forudsagte tryk omdannes til den metastabile fase og forblev der, selv når trykket blev fjernet.

"Dette er et glimrende eksempel på eksperimentelt-teoretisk samarbejde," siger Musfeldt.

Den nye tilgang krævede kun omkring halvt så meget yttrium som en stabilisator, hvilket forbedrede kvaliteten og renheden af ​​de dyrkede hafnia-krystaller betydeligt. Nu siger Singh, at han og de andre videnskabsmænd vil presse på for at bruge mindre og mindre yttrium, indtil de finder ud af en måde at producere ferroelektrisk hafnia i bulk til udbredt brug.

Og da hafnia fortsætter med at tiltrække sig stigende opmærksomhed på grund af sin spændende ferroelektricitet, arrangerer Singh en inviteret fokussession om materialet ved American Physical Society's martsmøde 2024.

Flere oplysninger: Musfeldt, J. L. et al., Strukturel faseoprensning af bulk HfO2:Y gennem trykcykling, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2312571121. doi.org/10.1073/pnas.2312571121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af University of Rochester