Protonen ingesteld om geheugenapparaten van de volgende generatie van stroom te voorzien

Een door protonen aangedreven benadering die meerdere ferro-elektrische faseovergangen mogelijk maakt, vormt de basis voor computerchips met ultralaag vermogen en hoge capaciteit.

Een door protonen gemedieerde benadering die meerdere faseovergangen in ferro-elektrische materialen produceert, zou kunnen helpen bij het ontwikkelen van krachtige geheugenapparaten, zoals op de hersenen geïnspireerde of neuromorfe computerchips, heeft een door KAUST geleid internationaal team gevonden. Het artikel wordt gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke vooruitgang.

Ferroelektrische materialen, zoals indiumselenide, zijn intrinsiek gepolariseerde materialen die van polariteit veranderen wanneer ze in een elektrisch veld worden geplaatst, wat ze aantrekkelijk maakt voor het creëren van geheugentechnologieën. De resulterende geheugenapparaten vereisen niet alleen lage bedrijfsspanningen, maar vertonen ook een uitstekend maximaal lees-/schrijfuithoudingsvermogen en schrijfsnelheden, maar hun opslagcapaciteit is laag. Dit komt omdat bestaande methoden slechts een paar ferro-elektrische fasen kunnen activeren, en het vastleggen van deze fasen experimenteel uitdagend is, zegt Xin He, die de studie mede leidde onder leiding van Fei Xue en Xixiang Zhang.

De door het team bedachte methode berust nu op de protonering van indiumselenide om een ​​groot aantal ferro-elektrische fasen te genereren. De onderzoekers verwerkten het ferro-elektrische materiaal in een transistor bestaande uit een door silicium ondersteunde gestapelde heterostructuur voor evaluatie.

Ze plaatsten een meerlagige indiumselenidefilm op de heterostructuur, die bestond uit een aluminiumoxide-isolatieplaat ingeklemd tussen een platinalaag aan de onderkant en poreuze silica aan de bovenkant. Terwijl de platinalaag diende als elektroden voor de aangelegde spanning, fungeerde het poreuze siliciumdioxide als een elektrolyt en leverde het protonen aan de ferro-elektrische film.

De onderzoekers injecteerden of verwijderden geleidelijk protonen uit de ferro-elektrische film door de aangelegde spanning te veranderen. Dit produceerde omkeerbaar verschillende ferro-elektrische fasen met verschillende graden van protonering, wat cruciaal is voor het implementeren van geheugenapparaten met meerdere niveaus met een aanzienlijke opslagcapaciteit.

Hogere positieve aangelegde spanningen versterkten de protonering, terwijl negatieve spanningen met hogere amplitudes de protoneringsniveaus in grotere mate verminderden.

Protoneringsniveaus varieerden ook afhankelijk van de nabijheid van de filmlaag tot silica. Ze bereikten maximale waarden in de onderste laag, die in contact was met silica, en namen stapsgewijs af om minimale hoeveelheden in de bovenste laag te bereiken.

Onverwacht keerden de door protonen geïnduceerde ferro-elektrische fasen terug naar hun oorspronkelijke toestand toen de aangelegde spanning werd uitgeschakeld. “We hebben dit ongebruikelijke fenomeen waargenomen omdat protonen uit het materiaal en in de silica diffundeerden”, legt Xue uit.

Door een film te vervaardigen die een soepele en continue interface met silica vertoonde, verkreeg het team een ​​apparaat met een hoge protoneninjectie-efficiëntie dat werkt onder 0,4 volt, wat essentieel is voor het ontwikkelen van energiezuinige geheugenapparaten. “Onze grootste uitdaging was om de bedrijfsspanning te verlagen, maar we realiseerden ons dat de protoneninjectie-efficiëntie over de interface de bedrijfsspanningen beheerste en dienovereenkomstig kon worden afgestemd”, zegt Xue.

“We zijn toegewijd aan het ontwikkelen van ferro-elektrische neuromorfe computerchips die minder energie verbruiken en sneller werken”, zegt Xue.