Forskere opdager forudsigelig adfærd i lovende materiale til computerhukommelse

I de sidste par år er en klasse af materialer kaldet antiferroelektrik i stigende grad blevet undersøgt for dets potentielle anvendelser i moderne computerhukommelsesenheder. Forskning har vist, at antiferroelektrisk-baserede hukommelser kan have større energieffektivitet og hurtigere læse- og skrivehastigheder end konventionelle hukommelser, blandt andre tiltalende egenskaber. Yderligere er de samme forbindelser, der kan udvise antiferroelektrisk adfærd, allerede integreret i eksisterende halvlederchipfremstillingsprocesser.

Nu har et hold ledet af Georgia Tech-forskere opdaget uventet velkendt adfærd i det antiferroelektriske materiale kendt som zirconiumdioxid eller zirconia. De viser, at da materialets mikrostruktur reduceres i størrelse, opfører det sig på samme måde som meget bedre forståede materialer kendt som ferroelektriske stoffer. Resultaterne blev for nylig publiceret i tidsskriftet Advanced Electronic Materials .

Miniaturisering af kredsløb har spillet en nøglerolle i at forbedre hukommelsens ydeevne i løbet af de sidste halvtreds år. At vide, hvordan egenskaberne ved en antiferroelektrisk ændring med krympende størrelse bør muliggøre design af mere effektive hukommelseskomponenter.

Forskerne bemærker også, at resultaterne burde have implikationer på mange andre områder udover hukommelsen.

"Antiferroelektriske stoffer har en række unikke egenskaber som høj pålidelighed, højspændingsudholdenhed og brede driftstemperaturer, der gør dem nyttige i et væld af forskellige enheder, inklusive kondensatorer med høj energitæthed, transducere og elektrooptiske kredsløb." sagde Nazanin Bassiri-Gharb, medforfatter til papiret og professor ved Woodruff School of Mechanical Engineering og School of Materials Science and Engineering ved Georgia Tech. "Men størrelsesskaleringseffekter var stort set gået under radaren i lang tid."

"Du kan designe din enhed og gøre den mindre ved at vide præcis, hvordan materialet kommer til at fungere," sagde Asif Khan, medforfatter til papiret og assisterende professor ved School of Electrical and Computer Engineering og School of Materials Science and Engineering i Georgia Tech. "Fra vores synspunkt åbner det virkelig et nyt forskningsfelt."

Varige felter

Det afgørende træk ved et antiferroelektrisk materiale er den ejendommelige måde, det reagerer på et eksternt elektrisk felt. Dette svar kombinerer træk ved ikke-ferroelektriske og ferroelektriske materialer, som er blevet meget mere intensivt undersøgt i fysik og materialevidenskab.

For ferroelektrik gør udsættelse for et eksternt elektrisk felt med tilstrækkelig styrke, at materialet bliver stærkt polariseret, hvilket er en tilstand, hvor materialet udviser sit eget indre elektriske felt. Selv når det eksterne elektriske felt fjernes, fortsætter denne polarisering, ligesom en jernsøm kan blive permanent magnetiseret.

Et ferroelektrisk materiales opførsel afhænger også af dets størrelse. Da en prøve af materiale gøres tyndere, kræves der et stærkere elektrisk felt for at skabe en permanent polarisering i overensstemmelse med en præcis og forudsigelig lov kaldet Janovec-Kay-Dunn (JKD)-loven.

I modsætning hertil forårsager anvendelse af et eksternt elektrisk felt på et antiferroelektrisk ikke materialet til at blive polariseret - i starten. Men efterhånden som styrken af ​​det ydre felt øges, skifter et antiferroelektrisk materiale til sidst til en ferroelektrisk fase, hvor polariseringen pludselig sætter ind. Det elektriske felt, der er nødvendigt for at skifte det antiferroelektriske materiale til en ferroelektrisk fase, kaldes det kritiske felt.

Størrelsesskalering

I det nye arbejde opdagede forskerne, at zirconiumoxidantiferroelektriske stoffer også adlyder noget som en JKD-lov. Men i modsætning til ferroelektrik spiller materialets mikrostruktur en nøglerolle. Styrken af ​​det kritiske felt skalerer i JKD-mønsteret specifikt med hensyn til størrelsen af ​​strukturer kendt som krystallitter i materialet. For en mindre krystallitstørrelse kræver det et stærkere kritisk felt at skifte et antiferroelektrisk materiale til dets ferroelektriske fase, selvom prøvens tyndhed forbliver den samme.

"Der havde ikke været en forudsigelig lov, der dikterede, hvordan omskiftningsspændingen vil ændre sig, når man miniaturiserer disse antiferroelektriske oxidenheder," sagde Khan. "Vi har fundet et nyt twist på en gammel lov."

Tidligere havde tynde antiferroelektriske stoffer været vanskelige at producere i sammenlignelige størrelser som ferroelektriske stoffer, sagde forskerne. Nujhat Tasneem, den ph.d.-studerende, der leder forskningen, tilbragte "dag og nat" i laboratoriet ifølge Khan for at behandle og producere lækagefrie antiferroelektriske zirconiumoxidfilm af enkelt nanometer i størrelse. Det næste trin er ifølge Khan for forskere at finde ud af præcis, hvordan man kontrollerer krystallitstørrelsen og derved skræddersy materialets egenskaber til dets brug i kredsløb.

Forskeren samarbejdede også med forskere fra Charles University i Tjekkiet og Universidad Andres Bello i Chile for henholdsvis røntgendiffraktionskarakterisering og førsteprincipbaserede beregninger.

"Det var virkelig et samarbejde, der spændte over flere kontinenter," sagde Tasneem.

Resultaterne bør også tale om grundlæggende fysikspørgsmål, ifølge Bassiri-Gharb. I de senere år er der opstået noget af et mysterium i studiet af antiferroelektriske stoffer, hvor den måde, mikroskopiske krystallinske strukturer forårsager en makroskopisk polarisering, bliver sat i tvivl.

"At finde to meget forskellige typer materialer - ferroelektriske og antiferroelektriske stoffer med forskellige atomare strukturer - for at følge lignende adfærd og love er særligt spændende," sagde Bassiri-Gharb. "Det åbner døre til at søge efter flere ligheder og overføre mere af vores viden på tværs af felterne." + Udforsk yderligere

Fysikere konstruerer ny egenskab af 'hvid' grafen