Wetenschappers en ingenieurs hebben de afgelopen tien jaar aangedrongen op het gebruik van een ongrijpbaar ferro-elektrisch materiaal, hafniumoxide of hafnia genaamd, om de volgende generatie computergeheugen in te luiden. Een team van onderzoekers, waaronder Sobhit Singh van de Universiteit van Rochester, publiceerde een onderzoek in de Proceedings of the National Academy of Sciences waarin de voortgang wordt geschetst richting het beschikbaar maken van bulk ferro-elektrische en antiferro-elektrische hafnia voor gebruik in een verscheidenheid aan toepassingen.

In een specifieke kristalfase vertoont hafnia ferro-elektrische eigenschappen, dat wil zeggen elektrische polarisatie die in de ene of de andere richting kan worden veranderd door een extern elektrisch veld aan te leggen. Deze functie kan worden benut in de technologie voor gegevensopslag. Bij gebruik in computers heeft ferro-elektrisch geheugen het voordeel dat het niet-vluchtig is, wat betekent dat het zijn waarden behoudt, zelfs als het is uitgeschakeld, een van de vele voordelen ten opzichte van de meeste soorten geheugen die tegenwoordig worden gebruikt.

"Hafnia is een heel spannend materiaal vanwege de praktische toepassingen in computertechnologie, vooral voor gegevensopslag", zegt Singh, assistent-professor bij de afdeling Werktuigbouwkunde. "Momenteel gebruiken we voor het opslaan van gegevens magnetische vormen van geheugen die langzaam zijn, veel energie nodig hebben om te werken en niet erg efficiënt zijn. Ferro-elektrische vormen van geheugen zijn robuust, ultrasnel, goedkoper te produceren en energiezuiniger. ."

Maar Singh, die theoretische berekeningen uitvoert om materiaaleigenschappen op kwantumniveau te voorspellen, zegt dat bulkhafnia in zijn grondtoestand niet ferro-elektrisch is. Tot voor kort konden wetenschappers hafnia alleen in zijn metastabiele ferro-elektrische toestand krijgen door het uit te rekken tot een dunne, tweedimensionale film met een dikte van nanometers.

In 2021 maakte Singh deel uit van een team van wetenschappers aan de Rutgers University dat ervoor zorgde dat hafnia in zijn metastabiele ferro-elektrische toestand bleef door het materiaal te legeren met yttrium en het snel af te koelen. Toch had deze aanpak enkele nadelen. "Er was veel yttrium voor nodig om die gewenste metastabiele fase te bereiken", zegt hij.

"Dus terwijl we bereikten waar we voor gingen, belemmerden we tegelijkertijd veel van de belangrijkste kenmerken van het materiaal omdat we veel onzuiverheden en wanorde in het kristal introduceerden. De vraag werd:hoe kunnen we dat bereiken metastabiele toestand met zo weinig mogelijk yttrium om de eigenschappen van het resulterende materiaal te verbeteren?"

In de nieuwe studie berekende Singh dat door aanzienlijke druk uit te oefenen, men bulkhafnia in zijn metastabiele ferro-elektrische en antiferro-elektrische vormen zou kunnen stabiliseren – die beide intrigerend zijn voor praktische toepassingen in de volgende generatie data- en energieopslagtechnologieën.

Een team onder leiding van professor Janice Musfeldt van de Universiteit van Tennessee, Knoxville, voerde de hogedrukexperimenten uit en toonde aan dat het materiaal bij de voorspelde druk overging in de metastabiele fase en daar bleef, zelfs als de druk werd opgeheven.

"Dit is een uitstekend voorbeeld van experimenteel-theoretische samenwerking", zegt Musfeldt.

De nieuwe aanpak vereiste slechts ongeveer de helft van de hoeveelheid yttrium als stabilisator, waardoor de kwaliteit en zuiverheid van de gegroeide hafniakristallen aanzienlijk werd verbeterd. Nu zegt Singh dat hij en de andere wetenschappers zullen aandringen op het gebruik van steeds minder yttrium totdat ze een manier hebben gevonden om ferro-elektrische hafnia in bulk te produceren voor wijdverbreid gebruik.

En omdat hafnia steeds meer aandacht blijft trekken vanwege zijn intrigerende ferro-elektriciteit, organiseert Singh een uitgenodigde focussessie over het materiaal tijdens de March Meeting 2024 van de American Physical Society.

Meer informatie: Musfeldt, J. L. et al., Structurele fasezuivering van bulk HfO2:Y door middel van drukcycli, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2312571121. doi.org/10.1073/pnas.2312571121

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door Universiteit van Rochester