El material ferroeléctrico innovador podría permitir dispositivos de memoria de próxima generación

El material ferroeléctrico innovador podría permitir dispositivos de memoria de próxima generación


22 de junio de 2022

(Noticias de Nanowerk) Los materiales ferroeléctricos son sustancias con polarización eléctrica espontánea. La polarización se refiere a la separación de las cargas negativas y positivas dentro de un material. Para los materiales ferroeléctricos, esto significa que la «memoria» del estado anterior del material (conocido como histéresis) puede almacenar información de manera similar a los dispositivos de almacenamiento magnético, como los discos duros.

Los materiales ferroeléctricos basados ​​en el elemento hafnio son prometedores porque son más compatibles que otros materiales potenciales con los circuitos informáticos de silicio actuales. En el pasado, los investigadores lograron ferroelectricidad en películas ultrafinas. Estas películas pueden ser delicadas y difíciles de usar.

Los científicos ahora han encontrado la primera evidencia experimental de ferroelectricidad a temperatura ambiente en cristales de un compuesto a base de hafnio, hafnia masiva dopada con itrio (materiales naturalesFerroelectricidad cinéticamente estabilizada en HfO monocristalino a granel2:J»). La estructura de los cristales de óxido de hafnio dopado con itrio (naranja parcialmente sombreado) presenta una polarización ferroeléctrica (flechas azules) que cambia de dirección cuando se invierte el campo eléctrico externo. La estructura de los cristales de óxido de hafnio dopado con itrio (naranja parcialmente sombreado) exhibe una polarización ferroeléctrica (flechas azules) que cambia de dirección cuando se invierte el campo eléctrico externo. (Imagen: Laboratorio Nacional de Oak Ridge)

Los materiales ferroeléctricos basados ​​en Hafnia tienen muchas ventajas para las memorias de las computadoras. Ofrecen alta velocidad, durabilidad, menor corriente de funcionamiento y la capacidad de retener datos cuando se corta la energía. Sin embargo, los investigadores no entienden completamente estos materiales. Esta investigación desarrolló un innovador material ferroeléctrico a base de óxido de hafnio a granel.

Los resultados arrojan luz sobre cómo se comportan estos materiales y cómo se pueden controlar. Los resultados también eliminan el límite de tamaño superior de los materiales, lo que facilita su uso en aplicaciones del mundo real.

El gran tamaño de la muestra permitirá realizar más experimentos para comprender mejor las propiedades ferroeléctricas del material. Esto, a su vez, ayudará a los investigadores a diseñar dispositivos de memoria no volátil de próxima generación.

El cofundador de Intel, Gordon Moore, postuló en 1965 que la cantidad de transistores en un chip de computadora se duplicaría cada dos años, una predicción conocida como la Ley de Moore. Los fabricantes de chips han podido mantener esta tasa de miniaturización desde entonces, pero enfrentan desafíos cada vez mayores debido a las leyes de la física.

Los materiales ferroeléctricos a base de óxido de hafnio pueden ayudar a miniaturizar aún más los dispositivos de memoria no volátil, pero los investigadores aún tienen que desarrollar una forma masiva del material. La nueva hafnia ferroeléctrica dopada con itria a granel desarrollada en esta investigación podría hacer posible tal desarrollo, lo que conduciría a un mayor uso de hafnia en chips de computadora y la extensión de la Ley de Moore.

Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Rutgers realizó mediciones de difracción de polvo de neutrones en hafnia dopada con itrio utilizando POWGEN, un instrumento de difractómetro de polvo de uso general en Spallation Neutron Source, una instalación de usuarios del Departamento de Energía (DOE) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL). ).

POWGEN es un difractómetro de polvo de neutrones de alta resolución que permite la caracterización de estructuras cristalinas, magnéticas y locales de nuevos materiales policristalinos. El equipo sintetizó monocristales de hafnia dopada con itrio con diferentes niveles de dopaje de itrio y los molió hasta convertirlos en polvo para su caracterización.

Los datos de POWGEN mostraron que las fases a granel eran estables a ciertos niveles de dopaje y los átomos de oxígeno se desplazaron para permitir la polarización reversible, lo que confirma la ferroelectricidad del óxido de hafnio a temperatura ambiente. Otras mediciones, incluido el ciclo de histéresis del campo eléctrico de polarización y simulaciones por computadora, apoyaron el análisis estructural y representaron un paso importante hacia futuras tecnologías basadas en hafnia.



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