Un componente fondamentale di un transistor ad effetto di campo (FET) è il dielettrico di gate, che determina il numero di portatori di carica - elettroni o vacanze elettroniche - che possono essere iniettati nel canale attivo del dispositivo. Il grafene è diventato di recente al centro dell'attenzione come praticabile, sostituto ad alte prestazioni del silicio nei FET, e in recenti studi sui FET a base di grafene, gli scienziati hanno studiato l'uso di film sottili di materiale ferroelettrico per il dielettrico di gate.

Tali film offrono diversi vantaggi interessanti per l'uso nei FET a base di grafene:la loro forte polarizzazione elettrica consente di introdurre una densità di portatori molto più elevata rispetto a quella ottenibile utilizzando dielettrici standard, e hanno una polarizzazione elettrica residua, una proprietà che potrebbe consentire l'utilizzo di FET grafene-ferroelettrici per la memoria non volatile memorizzando un certo livello di densità di portatori in assenza di un campo elettrico.

Due team che collaborano dall'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering e dalla National University of Singapore, guidato da Kui Yao e Barbaros Özylmaz, rispettivamente, precedentemente dimostrato un dispositivo di memoria grafene-ferroelettrico di base in cui la polarizzazione nel film ferroelettrico era controllata dalla polarizzazione elettrica applicata al terminale di gate. In quella struttura, un sottile film ferroelettrico è stato depositato sopra uno strato di grafene, dove inietta portatori di carica e quindi modula la resistenza del grafene. Sfortunatamente, però, i due distinti stati di resistenza che potrebbero essere letti come bit di informazione potrebbero essere realizzati solo polarizzando e depolarizzando il film ferroelettrico, che presentava problemi a causa dell'instabilità dello stato di depolarizzazione.

Ora, i due team hanno collaborato per fabbricare un dispositivo migliorato che include un ulteriore biossido di silicio (SiO ₂ ) porta dielettrica sotto lo strato di grafene (vedi immagine). Il SiO ₂ cancello, un componente di lunga data nei FET tradizionali, fornisce effettivamente un punto di riferimento da cui misurare l'effetto del gating ferroelettrico. Monitorando la resistenza del dispositivo in funzione delle tensioni applicate alle porte superiore e inferiore, i ricercatori hanno sviluppato una comprensione quantitativa delle prestazioni e del comportamento di commutazione dei FET grafene-ferroelettrici. Per l'uso come dispositivo di memoria non volatile, il gate dielettrico SiO2 semplifica anche la scrittura dei bit fornendo un'ulteriore fonte di fondo di portatori di carica, consentendo la commutazione della polarizzazione ferroelettrica tra due stati stabili corrispondenti a due orientamenti di polarizzazione opposti.

Il nuovo dispositivo sviluppato dal team di ricerca ha ottenuto risultati pratici impressionanti, in grado di scrivere bit simmetricamente con un rapporto di resistenza tra i due stati di resistenza superiore al 500% e commutazione non volatile riproducibile superiore a 100, 000 cicli.