Uma abordagem baseada em prótons que permite múltiplas transições de fase ferroelétricas prepara o terreno para chips de computador de potência ultrabaixa e alta capacidade.



Uma abordagem mediada por prótons que produz múltiplas transições de fase em materiais ferroelétricos poderia ajudar a desenvolver dispositivos de memória de alto desempenho, como chips de computação inspirados no cérebro ou neuromórficos, descobriu uma equipe internacional liderada pela KAUST. O artigo foi publicado na revista Science Advances .

Ferroelétricos, como o seleneto de índio, são materiais intrinsecamente polarizados que mudam de polaridade quando colocados em um campo elétrico, o que os torna atraentes para a criação de tecnologias de memória. Além de exigir baixas tensões operacionais, os dispositivos de memória resultantes apresentam excelente resistência máxima de leitura/gravação e velocidades de gravação, mas sua capacidade de armazenamento é baixa. Isso ocorre porque os métodos existentes só podem desencadear algumas fases ferroelétricas, e capturar essas fases é um desafio experimental, diz Xin He, que co-liderou o estudo sob a orientação de Fei Xue e Xixiang Zhang.

Agora, o método desenvolvido pela equipe depende da protonação do seleneto de índio para gerar uma infinidade de fases ferroelétricas. Os pesquisadores incorporaram o material ferroelétrico em um transistor que consiste em uma heteroestrutura empilhada suportada por silício para avaliação.

Eles depositaram um filme de seleneto de índio multicamadas na heteroestrutura, que compreendia uma folha isolante de óxido de alumínio imprensada entre uma camada de platina na parte inferior e sílica porosa na parte superior. Enquanto a camada de platina servia como eletrodo para a tensão aplicada, a sílica porosa agia como eletrólito e fornecia prótons ao filme ferroelétrico.

Os pesquisadores injetaram ou removeram gradualmente prótons do filme ferroelétrico, alterando a tensão aplicada. Isto produziu reversivelmente várias fases ferroelétricas com vários graus de protonação, o que é crucial para a implementação de dispositivos de memória multinível com capacidade de armazenamento substancial.

Tensões aplicadas positivas mais altas aumentaram a protonação, enquanto tensões negativas de amplitudes mais altas esgotaram os níveis de protonação em maior extensão.

Os níveis de protonação também variaram dependendo da proximidade da camada de filme com a sílica. Atingiram valores máximos na camada inferior, que estava em contato com a sílica, e diminuíram gradativamente até atingir valores mínimos na camada superior.

Inesperadamente, as fases ferroelétricas induzidas por prótons retornaram ao seu estado inicial quando a tensão aplicada foi desligada. “Observámos este fenómeno invulgar porque os protões difundiram-se para fora do material e para dentro da sílica”, explica Xue.

Ao fabricar um filme que apresentava uma interface suave e contínua com a sílica, a equipe obteve um dispositivo de alta eficiência de injeção de prótons que opera abaixo de 0,4 volts, o que é fundamental para o desenvolvimento de dispositivos de memória de baixo consumo de energia. “Nosso maior desafio foi reduzir a tensão operacional, mas percebemos que a eficiência da injeção de prótons na interface governava as tensões operacionais e poderia ser ajustada de acordo”, diz Xue.

“Estamos comprometidos em desenvolver chips de computação neuromórfica ferroelétricos que consumam menos energia e operem mais rápido”, diz Xue.

Mais informações: Xin He et al, Comutação reversível mediada por prótons de fases ferroelétricas metaestáveis ​​com baixas tensões de operação, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg4561
Informações do diário: Avanços da Ciência

Fornecido pela Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah