Nya foto-ferroelektriska material tillåter lagring av information på ett icke-flyktigt sätt med hjälp av ljusstimulans. Tanken är att skapa energieffektiva minnesenheter med hög prestanda och mångsidighet för att möta dagens utmaningar. Studien har publicerats i Naturkommunikation av Josep Fontcuberta och medarbetare och öppnar en väg mot ytterligare undersökningar av detta fenomen och till neuromorfa datatillämpningar.

Kan du tänka dig att kontrollera egenskaperna hos ett material genom att bara lysa på det? Vi är vana vid att se att materialets temperatur ökar när de utsätts för solen. Men ljus kan också ha subtilare effekter. Verkligen, ljusfoton kan skapa par gratis laddningsbärare i annars isolerande material. Detta är grundprincipen för de solcellspaneler vi använder för att skörda elektrisk energi från solen.

I en ny twist, en ljusinducerad förändring av materialets egenskaper kan användas i minnesenheter, möjliggör effektivare lagring av information och snabbare åtkomst och beräkning. Detta, faktiskt, är en av vårt samhälles nuvarande utmaningar:att kunna utveckla högpresterande kommersiellt tillgängliga elektroniska enheter som är, på samma gång, energieffektiva. Mindre elektroniska enheter med lägre energiförbrukning och hög prestanda och mångsidighet är målet.

Icke flyktigt minneslagring

Nu, forskare från gruppen Multifunctional Thin Films and Complex Structures (MULFOX) vid ICMAB har studerat fotoresponsiva ferroelektriska material integrerade i enheter som utnyttjar nanoteknik och kvanteffekter. Minneelement har konstruerats för att lagra icke-flyktig information i olika motståndstillstånd (ON/OFF). Det har upptäckts att, när den är korrekt utformad, deras elektriska motstånd kan moduleras av pulserande ljus. Det betyder att de kan växla från ett lågmotstånd till ett högmotståndstillstånd bara genom applicering av ljuspulser.

"Material som visar förändringar av motstånd under belysning är rikliga, även om effekten vanligtvis är flyktig och materialet återställer sitt ursprungliga tillstånd efter en viss uppehållstid, "säger ICMAB -forskaren Ignasi Fina, medförfattare till studien. "För enheter som ska användas vid beräkning och datalagring, icke-flyktig optisk styrning av elektrisk resistans är av potentiellt intresse, "och lägger till" för icke-flyktiga, vi menar att informationen kan sparas och lagras i enheten, även när strömmen är avstängd. "

Två-i-ett:foto-ferroelektriska material

För närvarande krävs två olika enheter för att använda optiska signaler för icke-flyktig datalagring:en optoelektronisk sensor och en minnesenhet. ICMAB-studien innehåller dessa egenskaper kombinerade i ett enda material som kan modulera dess motstånd genom pulserande ljus:ett foto-ferroelektriskt material.

Ferroelektriska material har elektriskt omkopplingsbar spontan icke-flyktig elektrisk polarisering. I ferroelektriska ultratunna filmer av sådant material som ligger mellan lämpliga metaller, en kvantmekanisk fenomeneffekt verkar kallas tunnelflöde. Denna effekt tillåter ett laddningsströmflöde över det ferroelektriska skiktet, som verkligen är isolerande, i en mängd som beror på dess polarisationsriktning.

I de aktuella enheterna, först används ett elektriskt fält en gång för att skriva PÅ/AV -tillstånden, och den kombineras med den optiska stimulansen för att främja PÅ/AV -ändring av tillstånd, och reversibelt modulera motståndet (från högt till lågt, och vice versa).

Energieffektiva enheter och applikationer

Dessa enheter är energieffektiva av två huvudskäl:för det första, energiförbrukningen minskar när minnestillståndet skrivs, eftersom det inte behöver något laddningsströmflöde. För det andra, eftersom informationen lagras på ett icke-flyktigt sätt, tillståndet är bevarat och det finns ingen anledning att uppdatera informationen (omskrivning) som görs kontinuerligt i nuvarande RAM-minnen på alla datorer, till exempel.

Den observerade optiska omkopplaren är inte begränsad till de studerade materialen och öppnar därmed en väg mot ytterligare undersökningar av detta fenomen.

När det gäller framtida applikationer, Ignasi Fina föreställer sig följande:"De studerade enheterna kombinerar ljussensor och minnesfunktioner. Dessutom har som visas i studien, enheten beter sig som en memristor. En memristor är en enhet som kan visa flera motståndstillstånd enligt den stimulans den har fått, och är en av de grundläggande enheterna för utveckling av neuromorfa datorsystem. Därför, den utvecklade enheten öppnar en väg som ska utforskas i samband med dess integration i neuromorfa synsystem, där systemet lär sig känna igen bilder. "

Studien har publicerats i Naturkommunikation .