Een UNSW-studie die vandaag is gepubliceerd in Natuurcommunicatie presenteert een spannende stap in de richting van domeinwand-nano-elektronica:een nieuwe vorm van toekomstige elektronica op basis van geleidingspaden op nanoschaal, en wat een extreem dichte geheugenopslag mogelijk zou maken.

FLEET-onderzoekers van de UNSW School of Materials Science and Engineering hebben een belangrijke stap gezet in het oplossen van de al lang bestaande uitdaging van de technologie, namelijk informatiestabiliteit.

Domeinwanden zijn "atomair scherpe" topologische defecten die gebieden met uniforme polarisatie in ferro-elektrische materialen scheiden.

Domeinwanden in ferro-elektriciteit bezitten fascinerende eigenschappen, en worden beschouwd als afzonderlijke entiteiten met eigenschappen die dramatisch verschillen van het oorspronkelijke ferroïsche bulkmateriaal.

Deze eigenschappen worden veroorzaakt door veranderingen in structuur, symmetrie en chemie beperkt tot de muur.

"Dit is het fundamentele uitgangspunt voor nano-elektronica op de domeinwand, ", zegt studieauteur prof. Jan Seidel.

De "schakelende" eigenschap van ferro-elektrische materialen maakt ze een populaire kandidaat voor laagspannings-nano-elektronica. In een ferro-elektrische transistor, verschillende polarisatietoestanden zouden de computationele nul- en één-toestanden van binaire systemen vertegenwoordigen.

Echter, de stabiliteit van die opgeslagen polarisatie-informatie is een uitdaging gebleken bij het toepassen van de technologie op gegevensopslag, vooral voor zeer kleine domeingroottes op nanoschaal, die gewenst zijn voor hoge opslagdichtheden.

"De polarisatietoestand in ferro-elektrische materialen vervalt meestal binnen enkele dagen tot enkele weken, wat een storing in de informatieopslag zou betekenen in elk gegevensopslagsysteem op een domeinmuur, ", zegt auteur prof.dr. Nagy Valanoor.

De periode dat informatie kan worden opgeslagen in ferro-elektrische materialen, dwz de stabiliteit van de opgeslagen polarisatie-informatie, is dus een belangrijk prestatiekenmerk.

Daten, dit al lang bestaande probleem van informatie-instabiliteit is een van de belangrijkste beperkingen van de toepassing van de technologie geweest.

De studie onderzoekt het ferro-elektrische materiaal BiFeO3 (BFO) met speciaal geïntroduceerde designerdefecten in dunne films. Deze ontwerpfouten kunnen domeinwanden in het materiaal vastklemmen, het effectief voorkomen van het ferro-elektrische domeinrelaxatieproces dat informatieverlies veroorzaakt.

"We hebben een 'defect engineering'-methode gebruikt om een ​​speciale BFO-dunne film te ontwerpen en te fabriceren die niet gevoelig is voor retentieverlies in de loop van de tijd, " zegt hoofdauteur Dr. Daniel Sando.

Het vastzetten van domeinwanden is dus de belangrijkste factor die wordt gebruikt om een ​​zeer lange polarisatieretentie te realiseren.

"De nieuwigheid van dit nieuwe onderzoek ligt in het nauwkeurig gecontroleerd vastzetten van de domeinmuur, waardoor we superieure polarisatiebehoud konden realiseren, ", zegt hoofdauteur Dawei Zhang.

Het onderzoek biedt kritische nieuwe denkwijzen en concepten voor op domeinmuren gebaseerde nano-elektronica voor niet-vluchtige gegevensopslag en architecturen voor logische apparaten.

Bovendien is het BFO-LAO-systeem met gemengde fase een vruchtbare voedingsbodem voor andere intrigerende fysische eigenschappen, inclusief piëzo-elektrische respons, veld-geïnduceerde spanning, elektrochrome effecten, magnetische momenten, elektrische geleidbaarheid en mechanische eigenschappen.