Nieuw niet-vluchtig geheugen kan 10 miljard herschrijfcycli doorstaan

• De nieuwe ferro-elektrische condensator die in het laboratorium is gebouwd, zou 10 miljard herschrijfcycli kunnen overleven.
• In tegenstelling tot bestaande flashdrives, zijn ferro-elektrische geheugenapparaten bestand tegen blootstelling aan kosmische straling en kunnen ze zelfs in de ruimte werken.

Het concept voor niet-vluchtige geheugenapparaten die gebruikmaken van ferro-elektrische dunne platen met elektrisch schakelbare spontane polarisatie heeft een enorm potentieel dankzij het zeer lage stroomverbruik, de hoge schrijfsnelheid en de theoretisch onbeperkte duurzaamheid.

Tegenwoordig streeft de elektronische industrie naar nieuwe niet-vluchtige geheugentechnologieën om een ​​langere levensduur en hogere toegangssnelheden te bereiken dan bestaande solid-state- en flashdrives. Een van de veelbelovende kandidaten is op hafniumdioxide gebaseerd geheugen. Het maakt gebruik van een diëlektrisch materiaal dat al bekend is bij de micro-elektronica-industrie.

Onder specifieke temperatuurbehandeling en legering kan een dunne hafniumdioxidelaag metastabiele kristallen vormen die ferro-elektrische eigenschappen vertonen. Dit betekent dat deze kristallen de richting van het elektrische veld dat erop wordt toegepast kunnen 'onthouden'.

De structuur van deze nieuwe geheugencel (zirkonium-hafniumoxidefilm) lijkt op een gewone elektrische condensator. Het is ongeveer 10 nanometer dik, tussen twee elektroden geplaatst.

De resterende polarisatie van de ferro-elektrische condensatoren moet worden gemaximaliseerd zodat ze kunnen worden gebruikt als geheugencellen. Om dat te garanderen, moeten onderzoekers echter de processen die in de dunne film plaatsvinden diep begrijpen. Dit omvat het meten van de elektrische potentiaal verdeeld over de nanofilm.

Doorbraak op weg naar nieuwe niet-vluchtige geheugentypes

Hoewel de ferro-elektrische fase in hafniumoxide tien jaar geleden werd ontdekt, hebben wetenschappers de potentiële distributie op nanoschaal nog niet direct kunnen meten.

Nu hebben onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology een unieke techniek bedacht om de elektrische potentiaalverdeling over een ferro-elektrische condensator te bepalen.

Referentie:Nanoschaal | DOI:10.1039/C9NR05904K | MIPT

Ze gebruikten harde röntgenfoto-emissiespectroscopie om de geheugencondensator te onderzoeken. De techniek is gebaseerd op de staande-golfmodus van de sterke monochromatische röntgenstraal. Het meet de lokale elektrostatische potentiaal door de lijnverschuivingen op kernniveau te onderzoeken.

De bevindingen tonen aan dat het elektrische potentiaalprofiel over de zirkonium-hafniumoxidelaag niet-lineair is en verandert met polarisatieomschakeling.

Een conventionele SSD 

Onderzoekers combineerden de gegevens van scanning-transmissie-elektronenmicroscopie met theoretische modellering en verklaarden het waargenomen niet-lineaire potentiaalgedrag in termen van defecten in zirkonium-hafniumoxide, aan beide grensvlakken, en hun ladingstoestand gemoduleerd door de ferro-elektrische polarisatie.

Samenvattend werpt de studie een nieuw licht op de intrinsieke elektronische eigenschappen van op hafniumoxide gebaseerde ferro-elektrische condensatoren en waarom ze belangrijk zijn voor technische geheugenapparaten.

Onderzoekers beweerden dat de ferro-elektrische condensator die in hun laboratorium is gebouwd 10 miljard herschrijfcycli zou kunnen doorstaan, bijna 100.000 keer meer dan wat de huidige flitser kan verdragen.

Lezen:nieuw type computergeheugen kan bestaande RAM en flashdrives vervangen

In tegenstelling tot op halfgeleiders gebaseerde apparaten, worden ferro-elektrische geheugenapparaten niet beïnvloed door externe straling. Dit betekent dat ze bestand zijn tegen blootstelling aan kosmische straling en zelfs in de ruimte kunnen werken.