Группа учёных во главе со специалистами из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST) открыла способ радикального улучшения ферроэлектрических материалов. Принудительный ввод протонов в ферроэлектрические плёнки кратно увеличил разнообразие фаз поляризации в материале. На этой основе можно создать высокоплотную компьютерную память и нейроморфные процессоры.
Насыщение ферроэлектрика протонами в представлении художника. Источник изображений: KAUST; Fei Xue
Для своих экспериментов учёные взяли селенид индия, который, как и все ферроэлектрики, имеет естественную поляризацию и может менять её под воздействием магнитного поля. Эта особенность делает такие материалы привлекательными для разработки компьютерной памяти и коммутаторов (транзисторов). Но есть и ограничения — ячейки такой памяти довольно большие по объёму материала и площади, что делает такую память менее плотной.
Одно из ограничений для наращивания плотности записи ферроэлектрической памяти заключается в ограничении образования поляризационных фаз, а также со сложностью их регистрации (считывания). Учёные KAUST обошли это препятствие с помощью протонирования селенида индия или благодаря насыщению его протонами.
Для эксперимента плёнка из селенида индия была помещена на слой пористого кремния. Кремний, в свою очередь, покоился на изолирующем слое из оксида алюминия, а алюминий был нанесён на слой платины, которая играла роль одного из электродов. В этой схеме кремний работал как электролит, который доставлял протоны в плёнку селенида индия после подачи напряжения на электроды. В зависимости от полярности протоны либо мигрировали в плёнку ферроэлетктрика, либо выводились из неё.
Исследователи постепенно вводили и выводили протоны из ферроэлектрической пленки, изменяя приложенное напряжение. В результате было получено несколько ферроэлектрических фаз с различной степенью протонирования, что очень важно для реализации многоуровневых устройств памяти с большой ёмкостью. Повышение положительного напряжения усиливало протонирование, а повышение отрицательного напряжения значительно снижало его уровень.
Экспериментальная установка
Также уровень насыщения протонами ферроэлектрика изменялся в зависимости от близости слоя плёнки к кремнию. Он достигал максимальных значений в нижнем слое, контактирующем с кремнием, и затем поэтапно снижался, достигая минимальных значений в верхнем слое. Сюрпризом стало то, что снятие напряжение вывело все протоны из материала и он вернулся в исходное состояние. Для энергонезависимых приборов это минус. Но в целом открытие обещает оказаться интересным — учёные смогли изменять электрические состояния материала при напряжении менее 0,4 В. Для малопотребляющей электроники — это крайне важно.
«Мы намерены разработать ферроэлектрические нейроморфные вычислительные чипы, которые будут потреблять меньше энергии и работать быстрее», — заявили учёные в статье, которую опубликовал журнал Science Advances.