Ett protondrivet tillvägagångssätt som möjliggör flera ferroelektriska fasövergångar sätter scenen för datorchips med ultralåg effekt och hög kapacitet.
Ett protonmedierat tillvägagångssätt som producerar flera fasövergångar i ferroelektriska material kan hjälpa till att utveckla högpresterande minnesenheter, såsom hjärninspirerade eller neuromorfa datorchips, har ett KAUST-ledd internationellt team funnit. Uppsatsen är publicerad i tidskriften Science Advances .
Ferroelektrik, såsom indiumselenid, är i sig polariserade material som byter polaritet när de placeras i ett elektriskt fält, vilket gör dem attraktiva för att skapa minnesteknologier. Förutom att kräva låga driftsspänningar, uppvisar de resulterande minnesenheterna utmärkt maximal läs-/skrivuthållighet och skrivhastigheter, men deras lagringskapacitet är låg. Detta beror på att befintliga metoder bara kan utlösa ett fåtal ferroelektriska faser, och att fånga dessa faser är experimentellt utmanande, säger Xin He, som ledde studien under ledning av Fei Xue och Xixiang Zhang.
Nu bygger metoden som teamet utarbetat på protoneringen av indiumselenid för att generera en mängd ferroelektriska faser. Forskarna inkorporerade det ferroelektriska materialet i en transistor bestående av en kiselstödd staplad heterostruktur för utvärdering.
De avsatte en flerskiktad indiumselenidfilm på heterostrukturen, som bestod av ett isolerande aluminiumoxidskikt mellan ett platinaskikt i botten och porös kiseldioxid i toppen. Medan platinaskiktet fungerade som elektroder för den pålagda spänningen, fungerade den porösa kiseldioxiden som en elektrolyt och tillförde protoner till den ferroelektriska filmen.
Forskarna injicerade eller avlägsnade gradvis protoner från den ferroelektriska filmen genom att ändra den applicerade spänningen. Detta producerade reversibelt flera ferroelektriska faser med olika grader av protonation, vilket är avgörande för att implementera flernivåminnesenheter med betydande lagringskapacitet.
Högre positiva applicerade spänningar förstärkte protoneringen, medan negativa spänningar med högre amplituder utarmade protonationsnivåerna i större utsträckning.
Protonationsnivåerna varierade också beroende på filmens närhet till kiseldioxid. De nådde maximala värden i det undre lagret, som var i kontakt med kiseldioxid, och minskade stegvis för att uppnå minsta mängder i det översta lagret.
Oväntat återgick de protoninducerade ferroelektriska faserna till sitt ursprungliga tillstånd när den pålagda spänningen stängdes av. "Vi observerade detta ovanliga fenomen eftersom protoner diffunderade ut ur materialet och in i kiseldioxiden", förklarar Xue.
Genom att tillverka en film som visade ett jämnt och kontinuerligt gränssnitt med kiseldioxid, fick teamet en hög protoninjektionseffektivitetsenhet som fungerar under 0,4 volt, vilket är nyckeln för att utveckla lågeffektminnesenheter. "Vår största utmaning var att minska driftsspänningen, men vi insåg att protoninsprutningseffektiviteten över gränssnittet styrde driftsspänningarna och kunde justeras därefter", säger Xue.
"Vi är fast beslutna att utveckla ferroelektriska neuromorfa datorchips som förbrukar mindre energi och fungerar snabbare", säger Xue.
Mer information: Xin He et al, Proton-medierad reversibel omkoppling av metastabila ferroelektriska faser med låga driftspänningar, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg4561
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av King Abdullah University of Science and Technology
