Un approccio guidato dai protoni che consente molteplici transizioni di fase ferroelettriche pone le basi per chip per computer a bassissima potenza e ad alta capacità.
Un approccio mediato dai protoni che produce transizioni di fase multiple nei materiali ferroelettrici potrebbe aiutare a sviluppare dispositivi di memoria ad alte prestazioni, come chip informatici ispirati al cervello o neuromorfici, ha scoperto un team internazionale guidato da KAUST. L'articolo è pubblicato sulla rivista Science Advances .
I ferroelettrici, come il seleniuro di indio, sono materiali intrinsecamente polarizzati che cambiano polarità quando posti in un campo elettrico, il che li rende attraenti per la creazione di tecnologie di memoria. Oltre a richiedere basse tensioni operative, i dispositivi di memoria risultanti mostrano un'eccellente resistenza massima di lettura/scrittura e velocità di scrittura, ma la loro capacità di archiviazione è bassa. Questo perché i metodi esistenti possono innescare solo poche fasi ferroelettriche e catturare queste fasi è sperimentalmente impegnativo, afferma Xin He, che ha co-condotto lo studio sotto la guida di Fei Xue e Xixiang Zhang.
Ora, il metodo ideato dal team si basa sulla protonazione del seleniuro di indio per generare una moltitudine di fasi ferroelettriche. I ricercatori hanno incorporato il materiale ferroelettrico in un transistor costituito da un'eterostruttura impilata supportata da silicio per la valutazione.
Hanno depositato una pellicola multistrato di seleniuro di indio sull'eterostruttura, che comprendeva un foglio isolante di ossido di alluminio inserito tra uno strato di platino nella parte inferiore e silice porosa nella parte superiore. Mentre lo strato di platino fungeva da elettrodi per la tensione applicata, la silice porosa fungeva da elettrolita e forniva protoni alla pellicola ferroelettrica.
I ricercatori hanno gradualmente iniettato o rimosso i protoni dalla pellicola ferroelettrica modificando la tensione applicata. Ciò ha prodotto in modo reversibile diverse fasi ferroelettriche con vari gradi di protonazione, il che è fondamentale per implementare dispositivi di memoria multilivello con notevole capacità di archiviazione.
Tensioni applicate positive più elevate hanno potenziato la protonazione, mentre tensioni negative di ampiezze maggiori hanno ridotto i livelli di protonazione in misura maggiore.
I livelli di protonazione variavano anche a seconda della vicinanza dello strato di pellicola alla silice. Hanno raggiunto valori massimi nello strato inferiore, che era a contatto con la silice, e sono diminuiti gradualmente per raggiungere quantità minime nello strato superiore.
Inaspettatamente, le fasi ferroelettriche indotte dai protoni sono tornate al loro stato iniziale quando la tensione applicata è stata interrotta. "Abbiamo osservato questo fenomeno insolito perché i protoni si diffondevano dal materiale nella silice", spiega Xue.
Producendo una pellicola che presentava un'interfaccia fluida e continua con la silice, il team ha ottenuto un dispositivo ad alta efficienza di iniezione di protoni che funziona al di sotto di 0,4 volt, che è fondamentale per lo sviluppo di dispositivi di memoria a basso consumo. "La nostra sfida più grande era ridurre la tensione operativa, ma ci siamo resi conto che l'efficienza dell'iniezione di protoni sull'interfaccia regolava le tensioni operative e poteva essere regolata di conseguenza", afferma Xue.
"Siamo impegnati a sviluppare chip informatici neuromorfici ferroelettrici che consumino meno energia e funzionino più velocemente", afferma Xue.
Ulteriori informazioni: Xin He et al, Commutazione reversibile mediata da protoni di fasi ferroelettriche metastabili con basse tensioni operative, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg4561
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
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