Nanoschaalmethode stimuleert materialen voor geavanceerde geheugenopslag

Technologieën van de volgende generatie, zoals geavanceerde geheugenopslagoplossingen en op de hersenen geïnspireerde neuromorfe computersystemen, kunnen bijna elk aspect van ons leven beïnvloeden – van de gadgets die we dagelijks gebruiken tot de oplossingen voor grote mondiale uitdagingen. Deze vooruitgang is afhankelijk van gespecialiseerde materialen, waaronder ferro-elektrische materialen: materialen met schakelbare elektrische eigenschappen die de prestaties en de energie-efficiëntie verbeteren.

Een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft een nieuwe techniek ontwikkeld voor het creëren van nauwkeurige atomaire arrangementen in ferro-elektriciteit, waarmee een robuust raamwerk wordt gecreëerd voor het bevorderen van krachtige nieuwe technologieën. Het papier is gepubliceerd in het journaal Natuur Nanotechnologie.

“Lokale modificatie van de atomen en elektrische dipolen waaruit deze materialen bestaan, is cruciaal voor nieuwe informatieopslag, alternatieve berekeningsmethoden of apparaten die signalen op hoge frequenties omzetten”, zegt Marti Checa van ORNL, hoofdonderzoeker van het project. “Onze aanpak bevordert innovaties door de on-demand herschikking van atomaire oriëntaties in specifieke configuraties mogelijk te maken die bekend staan ​​als topologische polarisatiestructuren die van nature niet voorkomen.”

In deze context verwijst polarisatie naar de oriëntatie van kleine, interne permanente elektrische velden in het materiaal die bekend staan ​​als ferro-elektrische dipolen.

Om complexe structuren te creëren die indien nodig kunnen worden geactiveerd, maakt de techniek van het team gebruik van een elektrische stylus die functioneert als een superfijn potlood. De stylus kan moeiteloos elektrische dipolen in ferro-elektriciteit veranderen door ze in geselecteerde richtingen te oriënteren, net zoals kinderen afbeeldingen maken op magnetische tekentafels.

Net zoals de indeling van een stad bepalend is voor de manier waarop mensen er doorheen navigeren, verlenen ontworpen topologische structuren onderscheidende eigenschappen aan materialen. De stylus biedt opwindende mogelijkheden voor het creëren van materialen met op maat gemaakte eigenschappen die ideaal zijn voor nano-elektronica met laag vermogen en de snelle breedbandcommunicatie die essentieel is voor het 6G-tijdperk.

De overgang van de 5G-standaard naar de zesde generatie mobiele communicatietechnologie zal aanzienlijke vooruitgang en transformaties met zich meebrengen in het ontwerp en het gebruik van communicatienetwerken. Breedband- en computertechnologieën zijn nauw met elkaar verbonden, waardoor de prestaties van de ander worden verbeterd. Daarom zullen innovatieve materialen een cruciale rol spelen bij het verbreden van de mogelijkheden voor computers.

Aankomende nano-elektronische ontwikkelingen

De hedendaagse klassieke computers communiceren in een eenvoudige taal van ‘ja’ en ‘nee’, weergegeven door enen en nullen. Dit binaire systeem is afhankelijk van de stroom van elektriciteit door kleine circuits. Dit dual-choice raamwerk is echter beperkend en energie-intensief vanwege de eisen die gesteld worden aan het schrijven en lezen van data.

Daarentegen kunnen topologische polarisatiestructuren hun polarisatietoestanden snel en effectief veranderen, waardoor een hoge stabiliteit wordt geboden met een laag energieverbruik voor het schakelen. Deze snelle verandering in polarisatie vergroot de waarde van ferro-elektriciteit, waardoor de snelheid, efficiëntie en veelzijdigheid op verschillende apparaten wordt verbeterd. Bovendien maken ze dataretentie zonder stroom mogelijk, wat de weg vrijmaakt voor de ontwikkeling van energie-efficiënte computersystemen met hoge dichtheid.

Wetenschappers onderzoeken materialen die informatie sneller kunnen verwerken, zoals vereist door breedbandcommunicatie uit het 6G-tijdperk. Deze structuren kunnen ook worden benut in apparaten die op hoge frequenties werken, dankzij intrinsieke sub-terahertz-resonanties. Dit zijn natuurlijke oscillaties of trillingen binnen een materiaal of systeem die optreden bij frequenties onder één terahertz – één biljoen hertz.

Een dergelijke vooruitgang zou de verwerkingskracht en efficiëntie van toekomstige computersystemen aanzienlijk kunnen vergroten, waardoor ze complexere problemen kunnen oplossen en taken met een groter aanpassingsvermogen en snelheid kunnen uitvoeren – capaciteiten die klassieke computers moeilijk kunnen bereiken.

Ten slotte maken deze structuren de nauwkeurige controle van elektronische en optische eigenschappen mogelijk en kunnen ze dus worden gebruikt voor afstembare opto-elektronische apparaten. Een combinatie van unieke elektrische, mechanische en thermische eigenschappen maakt ferro-elektriciteit zeer geschikt voor neuromorfisch computergebruik en andere nieuwe technologieën.

Snelle polarisatieverschuivingen, superdomeindynamiek

Het door ORNL geleide onderzoek onthulde hoe een geavanceerd ferro-elektrisch keramisch materiaal, algemeen bekend als PSTO, zijn polarisatie omschakelt in een meerstapsproces, geleid door de elektrische stylus. PSTO, of loodstrontiumtitanaat, is elementair samengesteld uit lood, strontium, titanium en zuurstof.

Een concept dat het trailing field wordt genoemd, wordt vaak gebruikt om uit te leggen waarom ferroelektrische materialen hun kleine elektrische dipolen (kleine positieve en negatieve ladingen) in het vlak van het materiaal heroriënteren als reactie op een elektrisch veld dat langs het oppervlak beweegt.

Het onderzoeksteam stelde echter als alternatief het bestaan ​​van een tussenliggende toestand buiten het vlak voor om de fase te beschrijven die optreedt terwijl het materiaal overgaat van de ene polarisatietoestand naar de andere. Deze fase is een korte verschuiving in de polarisatierichting die optreedt wanneer het verticale deel van een elektrisch veld de elektrische dipolen tijdelijk uit het vlak van het oppervlak oriënteert wanneer de polarisatie verandert in een dunne laag ferro-elektrisch materiaal.

Het inzicht van de wetenschappers in de tussenliggende toestand buiten het vlak heeft de nauwkeurige, on-demand manipulatie van superdomeinstructuren mogelijk gemaakt. Superdomeinstructuren zijn grootschalige patronen van kleine gebieden binnen ferro-elektrische materialen zoals PSTO, elk met een andere uitlijning van elektrische dipolen. Superdomeinstructuren zijn belangrijk omdat ze beïnvloeden hoe goed de materialen presteren in verschillende toepassingen door hun algehele gedrag en eigenschappen te beïnvloeden.

Deze studie toonde ook het vermogen aan om het delicate evenwicht tussen elastische en elektrostatische energie te onderzoeken. Ferroelektrische materialen hebben zowel mechanische (elastische) als elektrische (elektrostatische) energie-interacties, die elkaar beïnvloeden. Het veranderen van de vorm van een ferro-elektriciteit kan bijvoorbeeld de elektrische eigenschappen ervan beïnvloeden, en omgekeerd. Door dit evenwicht te bestuderen, begrijpen onderzoekers hoe ze het gedrag van het materiaal nauwkeuriger kunnen controleren.

Daarnaast onderzochten de onderzoekers de accommodatie van gefrustreerde supergrenzen: gebieden waar verschillende regio’s met ongelijksoortige elektrische eigenschappen in het materiaal samenkomen. Deze grenzen kunnen niet gemakkelijk op één lijn worden gebracht of worden aangepast om het energieverbruik te minimaliseren vanwege tegenstrijdige krachten of beperkingen en komen daarom zelden in de natuur voor. De on-demand creatie van nieuwe topologische polarisatiestructuren stelt onderzoekers echter in staat deze gefrustreerde bovengrenzen te stabiliseren en hun unieke eigenschappen te bestuderen.

Voorspelling, controle met nauwkeurigheid op nanoschaal

Door structurele en functionele gegevens over het ferro-elektrische materiaal, verzameld uit correlatieve microscopietechnieken, te integreren, creëerden de onderzoekers gedetailleerde faseveldmodellen die voorspellen hoe het materiaal zich onder verschillende omstandigheden zal gedragen. Deze mogelijkheid vergemakkelijkt het begrijpen en optimaliseren van de stabiliteit en polarisatie van het materiaal.

“Ons project heeft geavanceerde methoden ontwikkeld om materialen op nanoschaal nauwkeurig van patroon te voorzien”, zei Checa.

“Door speciaal ontworpen bewegingen van de elektrische styluspunt te combineren met geautomatiseerde experimentele opstellingen, hebben we het vermogen gedemonstreerd om nieuwe en complexe toestanden van ferro-elektrische materialen te onderzoeken die voorheen niet toegankelijk waren. Een belangrijk aspect van deze prestatie is dat het een beter begrip mogelijk maakt en controle over de unieke eigenschappen van deze materialen.”