Stabiele, snellere computergeheugenopslag op nanometerschaal

Spanningsstabilisatie van antipolaire en ferro-elektrische fasen van HfO₂. (A) De energie van HfO₂ als functie van polaire en antipolaire modi onder nulspanning (tetragonale roosterparameters; alle andere modi zijn ontspannen) toont aan dat de tetragonale fase metastabiel is. (De modusamplitudes worden genormaliseerd naar de orthorhombische evenwichtsfase.) (B) Naarmate de polaire modusamplitude toeneemt [at zero strain; see red solid line in (A)]energie stijgt tot een energie cusp [saddle point in (A)] wordt bereikt, waarboven grote antipolaire en polaire modusamplitudes naast elkaar bestaan. (C) Voor trekbelasting ε_xx van> 1,9%, de tetragonale fase is niet langer metastabiel en de evenwichtsantipolaire modusamplitude bij Γ^z = 0 wordt weergegeven. (D) Bij een trekspanning van 3% wordt het pad met de laagste energie van tetragonale naar orthorhombische fase (rode stippellijn) weergegeven. De antipolaire modus is onstabiel, zelfs bij P = 0 (leidend tot de Pbcn-fase), en nadat de amplitude van de antipolaire modus voldoende is toegenomen, wordt de polaire modus onstabiel, wat leidt tot de orthorhombische AP + FE-fase. (E) Naarmate de amplitude van de polaire modus wordt verhoogd vanaf nul (bij 3% trekspanning), neemt de energie af tot de evenwichtsfase AP + FE. (F) Een opwaarts gepolariseerde orthorhombische variant schakelen (T⁺_x,EEN⁺_z,P⁺_z) naar de naar beneden gepolariseerde varianten (T⁺_x,EEN⁺_z,P^–_z) of (T⁺_x,EEN^–_z,P^–_z) domeinmuren kunnen genereren die bestaan ​​uit respectievelijk twee (snel schakelende domeinmuur) of één (traag schakelende domeinmuur) niet-polaire laag (lagen). Deze twee schakelpaden gaan respectievelijk door de Pbcn- en de tetragonale fase. Het tweede schakelpad is energetisch niet gunstig, omdat de stabiliteit van antipolaire modus extra energie vereist om antipolaire en polaire modus samen te schakelen. Credit: Wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add5953

Anders dan bij mensen, wanneer computerhersenen evolueren, worden ze steeds kleiner. Dit komt omdat de componenten die berekeningen uitvoeren en opgeslagen informatie consolideren, efficiënter werken als er meer strak op een chip zijn verpakt.

Maar wanneer de afmetingen van de chipkenmerken te klein worden, bijvoorbeeld op nanometerschaal, kunnen hun fysieke en materiële eigenschappen veranderen, waardoor ze minder betrouwbaar worden in het uitvoeren van hun werk. In het afgelopen decennium hebben wetenschappers grote vooruitgang geboekt bij het ontdekken van nieuwe stoffen die in plaats daarvan steeds stabieler worden naarmate ze kleiner worden, wat duidt op de belofte van kleinere opslagapparaten die kunnen worden geïntegreerd in silicium computerverwerkingseenheden (CPU’s) om de snelheid en functionaliteit te vergroten.

Een van die verbindingen is hafniumdioxide (HfO₂), een materiaal dat een wenselijke eigenschap bleek te behouden, bekend als ferro-elektriciteit, zelfs op een schaal van enkele nanometers (~ 2nm). Wanneer een ferro-elektrisch materiaal wordt blootgesteld aan een voldoende sterk extern elektrisch veld, wordt het sterk elektrisch gepolariseerd, wat een toestand is waarin het materiaal plus-minus ladingsdipolen in uitlijning heeft. Het mooie van ferro-elektrische materialen is dat deze polarisatie blijft bestaan, zelfs als het externe elektrische veld wordt verwijderd, analoog aan hoe een ijzeren spijker permanent gemagnetiseerd kan raken. Deze aanhoudende polarisatie betekent dat het materiaal zich de laatste richting herinnert waarin het elektrisch gepolariseerd was.

Wat maakt HfO₂ bijzonder is dat het snel kan schakelen tussen een opwaartse of neerwaartse modus – overeenkomend met de enen en nullen die computers gebruiken – bij kleinere afmetingen en deze informatie vervolgens vasthouden totdat er weer wordt geschakeld. Maar hoe het in staat is om deze prestatie te bereiken, is een mysterie gebleven.

Nu heeft een groep onderzoekers onder leiding van Andrew M. Rappe, de Blanchard Professor of Chemistry aan de School of Arts & Sciences, ontdekt hoe HfO₂ behoudt zijn ferro-elektrische fase onder deze omstandigheden en legt uit hoe het stabiel blijft.

Hun onderzoek, gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitganglegt uit hoe HfO₂ ondergaat een overgang in twee stappen, wat resulteert in een verandering in de rangschikking van zijn atomen wanneer het op een dunne film wordt gegroeid. Hierdoor kan het “overgaan van de ene fase, die niet erg nuttig is, naar een speciale fase die nuttig zou kunnen zijn voor de volgende generatie informatieopslagapparaten”, zegt mede-eerste auteur van het artikel, Songsong Zhou, een postdoctoraal onderzoeker aan de School of Arts & Sciences.

“Het populaire geloof dat het mechanisme van deze faseovergang verklaarde, was dat het ofwel een simpele enkele juiste faseovergang was, ofwel een zeldzame en gecompliceerde onjuiste faseovergang”, zegt Zhou. “We waren echter in staat om een ​​derde alternatief te presenteren: spanning door te groeien op een dunne film en een onconventionele verandering in HfO₂De polarisatietoestanden van de mens zijn met elkaar verbonden om een ​​geheel nieuwe reactie aan te drijven die een antiferro-elektrische toestand induceert die HfO feitelijk stabiliseert₂de ferro-elektrische toestand.”

De mogelijkheid om een ​​materiaal zowel ferro-elektrisch als antiferro-elektrisch te laten zijn, was een grote verrassing. De onderzoekers hadden de indruk dat dit concurrerende toestanden waren, omdat de ladingen van antiferro-elektrische materialen afwisselen tussen boven en beneden, in tegenstelling tot de unidirectionele ferro-elektrische ladingen. “Ons model biedt een nieuw raamwerk voor het begrijpen van faseovergangen voor materialen die in staat zijn polarisatietoestanden op nanometerschaal te behouden”, zegt mede-eerste auteur van het artikel, Jiahao Zhang, een zesdejaars Ph.D. student op de afdeling scheikunde.

“Hfo₂ en een paar andere materialen concurreren om succesvolle computergeheugenmaterialen te worden, maar ze hebben momenteel allemaal problemen”, zegt Rappe. “Om een ​​beter inzicht te bieden in het mechanisme van ferro-elektriciteit in HfO₂pakt ons werk enkele van deze problemen aan en maakt het de weg vrij voor de ontwikkeling van de volgende generatie materialen die op een dag zowel verwerking als geheugen op één enkele chip zouden kunnen integreren.”

Vervolgens zullen de onderzoekers voortbouwen op hun modellen terwijl ze voortdurend experimentele en theoretische inzichten samenvoegen om de wereld van nanomaterialen te benutten.