Концептуално представяне на насищане на фероелектрик с протони
(снимка: Fei Xue / KAUST)
Учени откриха начин за радикално подобряване на фероелектричните материали. Принудителното въвеждане на протони във фероелектрични филми значително увеличава разнообразието от поляризационни фази в материала. На тази основа е възможно да се създадат компютърни памети с висока плътност и невроморфни процесори.
За своите експерименти изследователите от Университета за наука и технологии на крал Абдула (KAUST) използват индиев селенид, който, както всички сегнетоелектрици, има естествена поляризация и може да я променя под въздействието на магнитно поле. Тази функция прави подобни материали привлекателни за разработване на компютърна памет и транзистори. Но има и ограничения – клетките на такава памет са доста големи, което я прави по-малко плътна.
Една от пречките за увеличаване на плътността на записа на фероелектричната памет е ограниченото образуване на поляризационни фази, както и сложността на тяхното регистриране (четене). Учените от KAUST заобиколят това препятствие чрез протониране на индиев селенид, или чрез насищане с протони.
За целите на експеримента филм от индиев селенид е поставен върху слой от порест силиций. Силицият от своя страна лежи върху изолационен слой от алуминиев оксид, а алуминият е отложен върху слой платина, който играе ролята на един от електродите. В тази схема силицият действа като електролит, който доставя протони към филма от индиев селенид след подаване на напрежение към електродите. В зависимост от полярността, протоните или мигрират във фероелектричния филм, или са отстранени от него.
Изследователите постепенно въвеждат и премахват протони от фероелектричния филм чрез промяна на приложеното напрежение. В резултат на това са получени няколко фероелектрични фази с различна степен на протониране, което е много важно за реализацията на многостепенни памети с голям капацитет. Повишаването на положителното напрежение увеличава протонирането, а увеличаването на отрицателното напрежение значително намалява нивото му.
Също така, нивото на фероелектрично насищане с протони варира в зависимост от близостта на филмовия слой до силиция. Той достига своите максимални стойности в долния слой при контакт със силиция и след това постепенно намалява, достигайки минималните си стойности в горния слой.
Изненадата е, че освобождаването на напрежението премахва всички протони от материала и той се връща в първоначалното си състояние. За енергонезависимите устройства това е минус. Но като цяло откритието обещава да бъде интересно – учените са успели да променят електрическите състояния на материала при напрежение под 0,4 V. За електрониката с ниска мощност това е изключително важно.
„Ние възнамеряваме да разработим фероелектрични невроморфни изчислителни чипове, които ще консумират по-малко енергия и ще работят по-бързо“, казват учените в статия, публикувана в сп. Science Advances.