Protoner indstillet til at drive næste generations hukommelsesenheder

En protondrevet tilgang, der muliggør flere ferroelektriske faseovergange, sætter scenen for computerchips med ultralav effekt og høj kapacitet.

En proton-medieret tilgang, der producerer flere faseovergange i ferroelektriske materialer, kunne hjælpe med at udvikle højtydende hukommelsesenheder, såsom hjerneinspirerede eller neuromorfe computerchips, har et KAUST-ledet internationalt hold fundet. Artiklen er publiceret i tidsskriftet Science Advances .

Ferroelektriske stoffer, såsom indiumselenid, er iboende polariserede materialer, der skifter polaritet, når de placeres i et elektrisk felt, hvilket gør dem attraktive til at skabe hukommelsesteknologier. Ud over at kræve lave driftsspændinger viser de resulterende hukommelsesenheder fremragende maksimal læse-/skriveudholdenhed og skrivehastigheder, men deres lagerkapacitet er lav. Dette skyldes, at eksisterende metoder kun kan udløse nogle få ferroelektriske faser, og at fange disse faser er eksperimentelt udfordrende, siger Xin He, som var med til at lede undersøgelsen under vejledning af Fei Xue og Xixiang Zhang.

Nu er den metode, som teamet har udviklet, afhængig af protoneringen af ​​indiumselenid for at generere en lang række ferroelektriske faser. Forskerne inkorporerede det ferroelektriske materiale i en transistor bestående af en siliciumunderstøttet stablet heterostruktur til evaluering.

De aflejrede en flerlags indiumselenidfilm på heterostrukturen, som omfattede et isolerende aluminiumoxidark, der var klemt mellem et platinlag i bunden og porøst silica i toppen. Mens platinlaget tjente som elektroder for den påførte spænding, fungerede den porøse silica som en elektrolyt og tilførte protoner til den ferroelektriske film.

Forskerne injicerede eller fjernede gradvist protoner fra den ferroelektriske film ved at ændre den påførte spænding. Dette producerede reversibelt adskillige ferroelektriske faser med forskellige grader af protonation, hvilket er afgørende for implementering af hukommelsesenheder på flere niveauer med betydelig lagerkapacitet.

Højere positive påførte spændinger forstærkede protonation, hvorimod negative spændinger med højere amplituder i højere grad udtømte protonationsniveauer.

Protonationsniveauer varierede også afhængigt af filmlagets nærhed til silica. De nåede maksimale værdier i det nederste lag, som var i kontakt med silica, og faldt i trin for at opnå minimumsmængder i det øverste lag.

Uventet vendte de proton-inducerede ferroelektriske faser tilbage til deres oprindelige tilstand, da den påførte spænding blev slukket. "Vi observerede dette usædvanlige fænomen, fordi protoner diffunderede ud af materialet og ind i silicaen," forklarer Xue.

Ved at fremstille en film, der viste en jævn og kontinuerlig grænseflade med silica, opnåede holdet en høj protoninjektionseffektivitetsenhed, der fungerer under 0,4 volt, hvilket er nøglen til udvikling af hukommelsesenheder med lav effekt. "Vores største udfordring var at reducere driftsspændingen, men vi indså, at protoninjektionseffektiviteten over grænsefladen styrede driftsspændingerne og kunne justeres i overensstemmelse hermed," siger Xue.

"Vi er forpligtet til at udvikle ferroelektriske neuromorfe computerchips, der bruger mindre energi og fungerer hurtigere," siger Xue.

Flere oplysninger: Xin He et al, Proton-medieret reversibel switching af metastabile ferroelektriske faser med lave driftsspændinger, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg4561

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af King Abdullah University of Science and Technology