Scienziati e ingegneri hanno spinto negli ultimi dieci anni per sfruttare un sfuggente materiale ferroelettrico chiamato ossido di afnio, o hafnia, per inaugurare la prossima generazione di memoria informatica. Un team di ricercatori, tra cui Sobhit Singh dell'Università di Rochester, ha pubblicato uno studio negli Proceedings of the National Academy of Sciences delineando i progressi verso la produzione di afnia ferroelettrica e antiferroelettrica sfusa disponibile per l'uso in una varietà di applicazioni.
In una specifica fase cristallina, l'afnia mostra proprietà ferroelettriche, ovvero una polarizzazione elettrica che può essere modificata in una direzione o nell'altra applicando un campo elettrico esterno. Questa funzionalità può essere sfruttata nella tecnologia di archiviazione dei dati. Se utilizzata nell'informatica, la memoria ferroelettrica presenta il vantaggio della non volatilità, ovvero mantiene i suoi valori anche quando è spenta, uno dei numerosi vantaggi rispetto alla maggior parte dei tipi di memoria utilizzati oggi.
"L'Hafnia è un materiale molto interessante per le sue applicazioni pratiche nella tecnologia informatica, in particolare per l'archiviazione dei dati", afferma Singh, assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica. "Attualmente, per archiviare i dati utilizziamo forme di memoria magnetiche che sono lente, richiedono molta energia per funzionare e non sono molto efficienti. Le forme di memoria ferroelettriche sono robuste, ultraveloci, più economiche da produrre e più efficienti dal punto di vista energetico ."
Ma Singh, che esegue calcoli teorici per prevedere le proprietà dei materiali a livello quantistico, afferma che l’afnia sfusa non è ferroelettrica al suo stato fondamentale. Fino a poco tempo fa, gli scienziati potevano portare l'afnia al suo stato ferroelettrico metastabile solo filtrandola sotto forma di una sottile pellicola bidimensionale di spessore nanometrico.
Nel 2021, Singh faceva parte di un team di scienziati della Rutgers University che ha fatto sì che l'afnia rimanesse nel suo stato ferroelettrico metastabile legando il materiale con ittrio e raffreddandolo rapidamente. Tuttavia questo approccio presentava alcuni inconvenienti. "È stato necessario molto ittrio per raggiungere la fase metastabile desiderata", afferma.
"Così, mentre ottenevamo ciò che stavamo cercando, allo stesso tempo stavamo ostacolando molte delle caratteristiche chiave del materiale perché stavamo introducendo molte impurità e disordine nel cristallo. La domanda era:come possiamo arrivare a ciò? stato metastabile con la minor quantità possibile di ittrio per migliorare le proprietà del materiale risultante?"
Nel nuovo studio, Singh ha calcolato che applicando una pressione significativa, si potrebbe stabilizzare l'afnia sfusa nelle sue forme metastabili ferroelettriche e antiferroelettriche, entrambe interessanti per applicazioni pratiche nelle tecnologie di stoccaggio dei dati e dell'energia di prossima generazione.
Un team guidato dalla professoressa Janice Musfeldt dell'Università del Tennessee, Knoxville, ha effettuato esperimenti ad alta pressione e ha dimostrato che, alla pressione prevista, il materiale si è convertito nella fase metastabile e vi è rimasto anche quando la pressione veniva rimossa.
"Questo è un eccellente esempio di collaborazione teorico-sperimentale", afferma Musfeldt.
Il nuovo approccio richiedeva solo circa la metà della quantità di ittrio utilizzata come stabilizzante, migliorando così considerevolmente la qualità e la purezza dei cristalli di afnia coltivati. Ora, Singh afferma che lui e gli altri scienziati spingeranno per utilizzare sempre meno ittrio finché non troveranno un modo per produrre afnia ferroelettrica in grandi quantità per un uso diffuso.
E poiché l'afnia continua ad attirare sempre più attenzione grazie alla sua intrigante ferroelettricità, Singh sta organizzando una sessione di approfondimento su invito sul materiale in occasione del meeting di marzo 2024 dell'American Physical Society.
Ulteriori informazioni: Musfeldt, J. L. et al, Purificazione in fase strutturale di HfO2:Y sfuso attraverso cicli di pressione, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2312571121. doi.org/10.1073/pnas.2312571121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dall'Università di Rochester
