Onderzoek naar de eigenschappen van zeer dun hafniumdioxide

De chemie van hafniumdioxide (bekend als hafina) is nogal saai. Toch is het gedrag van ultradunne lagen die op dit materiaal zijn gebaseerd heel interessant: ze kunnen worden gebruikt als niet-vluchtig computergeheugen door het schakelen van dipolen met een elektrisch veld.

En aangezien de dipoolsterkte afhangt van de geschiedenis van het elektrische veld, is deze geschikt voor de constructie van memristors voor ‘hersenachtige’ computerarchitecturen. Beatriz Noheda, hoogleraar Functionele Nanomaterialen aan de Rijksuniversiteit Groningen, heeft het materiaal bestudeerd en schreef onlangs een Perspective-artikel over de eigenschappen ervan voor het tijdschrift Natuur materialen. “Het wordt al gebruikt in apparaten, ook al begrijpen we niet alle fysica.”

Om efficiëntere computers te maken, is snel niet-vluchtig willekeurig toegankelijk geheugen (RAM) vereist. Ferroelektrische materialen bleken goede kandidaten. Deze materialen zijn opgebouwd uit eenheden met dipolen die collectief zullen schakelen door middel van een elektrisch veld. Hun eigenschappen gaan echter kapot als het aantal eenheden te klein is; spontane depolarisatie treedt op onder ongeveer 90 nanometer.

Zuurstof vacatures

Een uitzondering is hafnia. “Dit werd min of meer per ongeluk ontdekt”, zegt Beatriz Noheda. Hafnia is zeer stabiel bij hoge temperaturen en in vijandige omgevingen en wordt traditioneel gebruikt in de metallurgische en chemische industrie. Het trok echter de aandacht van microchipfabrikanten toen amorfe hafnia een zeer efficiënte poortisolator in transistors bleek te zijn. Noheda: “Door het traditionele siliciumoxide te vervangen door hafnia, konden transistors kleiner worden gemaakt.”

Noheda’s interesse in het materiaal komt voort uit haar werk voor het Groningen Cognitive Systems and Materials Centre (CogniGron), waarvan zij wetenschappelijk directeur is. Het doel van CogniGron is om een ​​neuromorfe computerarchitectuur te creëren. Hafnia is een van de materialen die daar worden bestudeerd. “In een artikel gepubliceerd door Wetenschap in 2021 beschrijven we hoe schakelen niet alleen via dipolen gebeurt. We ontdekten dat de beweging van zuurstofvacatures ook een rol speelt”, zegt Noheda.

Duurzaam

Hafnia gedraagt ​​zich als een ferroelektricum, maar behoudt zijn eigenschappen alleen op nanometerschaal. Noheda: “Ferro-elektronica leek uit de race te zijn als kanshebbers voor zeer kleine niet-vluchtige RAM, maar met hafnia gaan ze nu aan de leiding.” Dat gezegd hebbende, lijkt het erop dat hafnia zich niet bepaald gedraagt ​​als een ferroelektricum. “We moeten dit begrijpen om het potentieel ervan volledig te benutten”, zegt Noheda. “En ik geloof dat we daar komen. Zoals gezegd, lijkt de beweging van zuurstofvacatures cruciaal te zijn voor de eigenschappen ervan.”

Noheda wijst ook op een ander concept waarmee rekening moet worden gehouden: de oppervlakte-energie in nanodeeltjes. “Het fasediagram laat zien dat het relatief grote oppervlak van deze deeltjes zorgt voor het equivalent van een extreem hoge druk in hafniumdioxide, wat een rol lijkt te spelen in de eigenschappen van dit materiaal.”

Dit soort kennis is belangrijk bij het zoeken naar andere materialen die zich gedragen als hafnium. “Hafnium is niet de meest duurzame optie voor de productie van microchips, omdat de wereldwijde voorraden te klein zijn. Door te zoeken naar materialen met vergelijkbare eigenschappen, vinden we misschien een betere kandidaat.” Een optie zou zirkonium kunnen zijn.

Neuromorfe chips

Het vinden van een duurzaam alternatief voor hafnium zou het gebruik van ferro-elektriciteit in RAM-geheugen kunnen versnellen. En aangezien de dipoolsterkte afhangt van de geschiedenis van het elektrische veld dat de dipolen genereert, zou het een ideaal materiaal zijn om memristors te maken, die tussenwaarden mogelijk maken tussen de klassieke binaire waarden van 0 en 1.

Dergelijke analoge apparaten zouden zich kunnen gedragen als de neuronen in onze hersenen en zouden kandidaten zijn voor een neuromorfe computerarchitectuur. “We werken aan zulke neuromorfe chips, maar eerst moeten we de fysica van hafniumdioxide en vergelijkbare materialen volledig begrijpen.”