Een protonenaangedreven aanpak die meerdere ferro-elektrische faseovergangen mogelijk maakt, vormt de weg voor computerchips met ultralaag vermogen en hoge capaciteit.

Een proton-gemedieerde aanpak die meerdere faseovergangen in ferro-elektrische materialen produceert, zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van krachtige geheugenapparaten, zoals door de hersenen geïnspireerde of neuromorfe computerchips, heeft een door KAUST geleid internationaal team ontdekt. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

Ferro-elektrische materialen, zoals indiumselenide, zijn intrinsiek gepolariseerde materialen die van polariteit veranderen wanneer ze in een elektrisch veld worden geplaatst, wat ze aantrekkelijk maakt voor het creëren van geheugentechnologieën. Naast dat ze lage bedrijfsspanningen vereisen, vertonen de resulterende geheugenapparaten uitstekende maximale lees-/schrijfuithoudingsvermogen en schrijfsnelheden, maar hun opslagcapaciteit is laag. Dit komt omdat bestaande methoden slechts enkele ferro-elektrische fasen kunnen activeren, en het vastleggen van deze fasen experimenteel uitdagend is, zegt Xin He, die het onderzoek mede leidde onder leiding van Fei Xue en Xixiang Zhang.

Nu is de door het team bedachte methode afhankelijk van de protonering van indiumselenide om een ​​groot aantal ferro-elektrische fasen te genereren. De onderzoekers verwerkten het ferro-elektrische materiaal ter evaluatie in een transistor bestaande uit een door silicium ondersteunde gestapelde heterostructuur.

Ze brachten een meerlaagse indiumselenidefilm aan op de heterostructuur, die bestond uit een isolerende plaat van aluminiumoxide, ingeklemd tussen een platinalaag aan de onderkant en poreuze silica aan de bovenkant. Terwijl de platinalaag diende als elektroden voor de aangelegde spanning, fungeerde het poreuze silica als elektrolyt en leverde het protonen aan de ferro-elektrische film.

De onderzoekers injecteerden of verwijderden geleidelijk protonen uit de ferro-elektrische film door de aangelegde spanning te veranderen. Dit produceerde omkeerbaar verschillende ferro-elektrische fasen met verschillende protonatiegraden, wat cruciaal is voor het implementeren van geheugenapparaten met meerdere niveaus met een aanzienlijke opslagcapaciteit.

Hogere positieve aangelegde spanningen versterkten de protonatie, terwijl negatieve spanningen met hogere amplitudes de protonatieniveaus in grotere mate uitputten.

De protoneringsniveaus varieerden ook afhankelijk van de nabijheid van de filmlaag tot silica. Ze bereikten maximale waarden in de onderste laag, die in contact stond met silica, en daalden stapsgewijs om minimale hoeveelheden in de bovenste laag te bereiken.

Onverwachts keerden de door protonen geïnduceerde ferro-elektrische fasen terug naar hun oorspronkelijke toestand toen de aangelegde spanning werd uitgeschakeld. "We hebben dit ongewone fenomeen waargenomen omdat protonen uit het materiaal in het silica diffundeerden", legt Xue uit.

Door een film te vervaardigen die een soepele en continue interface met silica vertoont, heeft het team een ​​apparaat met een hoge protoneninjectie-efficiëntie verkregen dat onder de 0,4 volt werkt, wat essentieel is voor de ontwikkeling van geheugenapparaten met een laag vermogen. "Onze grootste uitdaging was het verlagen van de bedrijfsspanning, maar we realiseerden ons dat de protoneninjectie-efficiëntie over de interface de bedrijfsspanningen reguleerde en dienovereenkomstig kon worden afgestemd", zegt Xue.

"We streven ernaar ferro-elektrische neuromorfe computerchips te ontwikkelen die minder energie verbruiken en sneller werken", zegt Xue.

Meer informatie: Xin He et al, Proton-gemedieerde omkeerbare schakeling van metastabiele ferro-elektrische fasen met lage bedrijfsspanningen, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg4561

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door King Abdullah University of Science and Technology