Материал для памяти будущего нашли в современных процессорах
© Sneeze/Pixabay
Физики из МФТИ и Университета Небраски детально изучили свойства оксида гафния, на основе которого многие исследователи предлагают делать запоминающие ячейки для компьютерных устройств нового поколения. Ученые описали процесс переключения электрической поляризации, что позволяет делать выводы о том, как этот перспективный материал ведет себя на микроскопическом уровне. Это соединение уже используется в микроэлектронной промышленности, но не в качестве элементов памяти. Результаты представлены на страницах журнала ACS Applied Materials and Interfaces.
Вещество со структурной формулой Hf0,5Zr0,5O2, которому посвящена новая статья, относится к классу сегнетоэлектриков. В таких веществах в электрическом поле часть электронов смещается в сторону, создавая заряженный участок, — и даже если поле исчезнет, этот заряд останется на месте. Сегнетоэлектрики остаются поляризованными так же, как магниты (ферромагнетики) продолжают быть намагниченными даже в отсутствии внешнего магнитного поля — это очень ценное свойство, позволяющее, например, создавать микроскопические ячейки для компьютерной памяти.
Экспериментальная установка, схема. Сверху — острая игла, при помощи которой физики определяли поляризацию сегнетоэлектрического материала; далее идет «бутерброд» из проводника, изолятора, оксида гафния и снова проводника на кремниевой подложке: эти слои образуют плоский электрический конденсатор. Красные линии схематически показывают электрические проводники, подключенные к образцу.
Оксид гафния интересен также тем, что он, в отличие от многих популярных сегодня у исследователей материалов вроде графена или углеродных нанотрубок, уже применяется в микроэлектронной промышленности, например, в процессорах Intel. Свои сегнетооэлектрические свойства оксид гафния проявляет только в очень тонких (от 5 до 20 нанометров) пленках, получить которые можно, в частности, методом атомно-слоевого осаждения. «Этот метод, применявшийся и в нашем исследовании, позволяет получать конформные, то есть однородные по толщине, пленки, — рассказывает Анастасия Чуприк из МФТИ. — Он очень интересен с точки зрения микроэлектроники, так как помимо производства уже выпускающихся устройств может быть использован в перспективных задачах вроде трехмерной микроэлектроники».
К достоинствам этоо соединения можно отнести развитую технологическую базу для работы с ним, а также выраженные сегнетоэлектрические свойства. Тем не менее, у вещества есть и недостаток. Дело в том, что ученые еще не понимают, как именно переполяризуется материал. Изучить микроскопическую структуру оксида гафния непосредственно внутри плоского конденсатора (по сути — будущей ячейки памяти) удалось при помощи разновидности атомно-силового микроскопа — прибора, который не осматривает, а скорее «ощупывает» образец. В результате удалось получить данные как о рельефе поверхности, так и о распределении поляризации в материале.
Полученные в ходе экспериментов данные впервые позволили показать, что у оксида гафния есть домены, то есть микроскопические участки сегнетоэлектрика с определенной поляризацией. Игла микроскопа, попадая на такие участки, по-разному отклонялась из-за изменений электрического поля, что и позволяло выявить границы доменов с точностью до нескольких нанометров.
Кроме того, ученые подтвердили, что под действием электрического поля кристаллическая решетка оксида гафния перестраивается. При перезарядке конденсаторов элементарные ячейки решетки из скошенных прямоугольных призм (так называемая моноклинная сингония) становятся прямоугольными параллелепипедами (ромбическая сингония), а именно такие ячейки позволяют этому материалу становиться сегнетоэлектриком. Некоторые исследователи и раньше предполагали, что такие изменения могут происходить, но для подтверждения этой гипотезы физикам недоставало информации.
«Несмотря на то, что оксид гафния уже используется в микроэлектронике и его достаточно легко применить для производства энергонезависимой памяти, природа его сегнетоэлектрических свойств остается неясной, — подытоживает Анастасия Чуприк. — Наша работа стала шагом вперед на пути к осознанному проектированию будущих устройств: зная свойства материала и чем они обусловлены, инженеры смогут оптимизировать ячейки памяти, делая их более компактными, технологичными и надежными».
Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.
Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.