Tellurium-nanodraden tonen potentieel voor ferro-elektriciteit en gegevensopslag bij kamertemperatuur

Een ontdekking door een internationaal team van wetenschappers heeft ferro-elektrisch en resistief schakelgedrag bij kamertemperatuur onthuld in tellurium (Te) nanodraden met één element, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor vooruitgang op het gebied van gegevensopslag met ultrahoge dichtheid en neuromorfe computergebruik.

Gepubliceerd in Natuurcommunicatiedit onderzoek markeert de eerste experimentele bewijs van ferro-elektriciteit in Te-nanodraden, een materiaal uit één element, dat voorheen alleen in theoretische modellen werd voorspeld.

“Ferro-elektrische materialen zijn stoffen die elektrische lading kunnen opslaan en behouden, zelfs als de stroom is uitgeschakeld, en hun lading kan worden omgeschakeld door een extern elektrisch veld aan te leggen – een kenmerk dat essentieel is voor niet-vluchtige geheugentoepassingen”, zegt mede-corresponderend. auteur van het artikel Professor Yong P. Chen, hoofdonderzoeker aan het Advanced Institute for Materials Research (AIMR) van Tohoku University en professor aan de Purdue en Aarhus Universiteiten.

Hoewel ferro-elektriciteit gebruikelijk is in verbindingen, vertonen materialen met één element zoals Te zelden dit gedrag vanwege hun symmetrische atomaire structuren.

Chen en zijn collega’s hebben echter aangetoond dat Te-nanodraden bij kamertemperatuur robuuste ferro-elektrische eigenschappen vertonen, dankzij de unieke atomaire verplaatsing binnen hun eendimensionale ketenstructuur. De ontdekking werd gedaan met behulp van piëzoresponse-krachtmicroscopie (PFM) en scanning-transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie.

Voortbouwend op deze ontdekking ontwikkelde het team een ​​nieuw apparaat – een zelf-gated ferro-elektrische veldeffecttransistor (SF-FET) – dat zowel ferro-elektrische als halfgeleidende eigenschappen in één apparaat integreert. De SF-FET demonstreert uitzonderlijke gegevensretentie, snelle schakelsnelheden van minder dan 20 nanoseconden en een indrukwekkende opslagdichtheid van meer dan 1,9 terabytes per vierkante centimeter.

“Onze doorbraak opent nieuwe mogelijkheden voor geheugenapparaten van de volgende generatie, waarbij de hoge mobiliteit en unieke elektronische eigenschappen van Te nanowires de apparaatarchitecturen kunnen helpen vereenvoudigen”, zegt Yaping Qi, assistent-professor bij AIMR en co-eerste auteur van het onderzoek.

“Ons SF-FET-apparaat zou ook een cruciale rol kunnen spelen in toekomstige kunstmatige intelligentiesystemen, waardoor neuromorfe computing mogelijk wordt die de menselijke hersenfunctie nabootst. Bovendien kunnen de bevindingen helpen leiden tot een lager energieverbruik in elektronische apparaten, waarmee wordt tegemoetgekomen aan de behoefte aan duurzame technologie.”

Momenteel onderzoekt het team van AIMR, dat bestaat uit Qi en Chen, nieuwe 2D, ferro-elektrische materialen met behulp van kunstmatige intelligentie (AI) technieken, in samenwerking met de groep van professor Hao Li. Dit zou kunnen leiden tot de ontdekking van meer materialen met veelbelovende ferro-elektrische eigenschappen of tot verdere toepassingen die verder gaan dan geheugenopslag, zoals neuromorfisch computergebruik.