Memorija budućnosti oslanja se na neobična svojstva materijala na atomskom nivou
Memorija budućnosti mogla bi da koristi strukture toliko male da zauzimaju površinu manju od jednog kvadratnog nanometra. Istraživači Univerziteta Vašington u Sent Luisu, u saradnji sa naučnicima iz više američkih i međunarodnih institucija, otkrili su način na koji se električna svojstva pojedinih oksidnih materijala mogu kontrolisati na atomskom nivou, otvarajući mogućnost razvoja memorijskih čipova znatno veće gustine.
Istraživanje je posebno zanimljivo zbog rastućih zahteva za memorijom sve većeg kapaciteta i energetskom efikasnošću, naročito u sistemima za veštačku inteligenciju. Umesto oslanjanja isključivo na dalje smanjivanje tranzistora, naučnici istražuju materijale koji bi mogli da čuvaju informacije zahvaljujući sopstvenim električnim svojstvima.
U središtu istraživanja nalazi se feroelektričnost, osobina određenih materijala da zadrže električnu polarizaciju čak i kada se spoljašnje električno polje ukine. Promenom smera polarizacije moguće je predstaviti dva različita stanja, što predstavlja osnovu za zapisivanje binarnih podataka.
Memorija budućnosti mogla bi da koristi feroelektrične domene manje od 1 nm²
Jedan od proučavanih materijala je hafnijum-oksid, HfO₂, koji se već koristi kao izolacioni sloj u savremenim tranzistorima od silicijuma. Njegova prednost je upravo kompatibilnost sa postojećim postupcima proizvodnje poluprovodnika.
Većina feroelektričnih materijala gubi karakteristična svojstva kada se njihova debljina smanji ispod približno 10 nanometara. Međutim, hafnijum-oksid može da pokaže feroelektrično ponašanje i u izuzetno tankim slojevima, što ga čini zanimljivim kandidatom za buduće memorijske komponente.
Tim profesora Rohana Mishre istraživao je tanke slojeve hafnijum-oksid kristala dopiranog lantanom. Kombinovanjem kvantnomehaničkih proračuna i elektronske mikroskopije atomske rezolucije, naučnici su ustanovili da se njegova kristalna struktura može kontrolisati primenom električnog polja.
Posebno važan rezultat ostvaren je u odvojenom istraživanju cirkonijum-oksida, ZrO₂, materijala sličnih svojstava. Naučnici su neposredno posmatrali feroelektrične delove čija je površina manja od 1 nm², što ih svrstava među najmanje do sada zabeležene strukture ove vrste.
Unutar svakog dela električna polarizacija ima određeni smer. Na granicama susednih delova dodatni atomi kiseonika pomažu u uravnotežavanju električnog naelektrisanja, dok proračuni pokazuju da bi same granice mogle da provode električnu struju i pomeraju se pod dejstvom napona.
Ukoliko bi takvo ponašanje moglo pouzdano da se kontroliše, granice između delova jednog dana mogle bi da posluže kao aktivni elementi memorijskih uređaja.
Ipak, važno je razlikovati veličinu posmatranog feroelektričnog dela od površine kompletne memorijske ćelije. Istraživači nisu napravili funkcionalan memorijski čip sa ćelijama manjim od jednog kvadratnog nanometra, već su demonstrirali fizičke osobine materijala koje bi mogle da omoguće buduću minijaturizaciju.
Dodatna prednost ovakvog pristupa jeste mogućnost razvoja memorije, koja bi zadržavala informacije bez stalnog napajanja. Time bi se potencijalno smanjila potrošnja energije i otvorio prostor za nove arhitekture memorijskih sistema.
Rezultati dva povezana istraživanja objavljeni su u naučnim časopisima Advanced Materials i Science. Predstoji još mnogo rada na pouzdanosti, upravljanju električnim stanjima i integraciji sa postojećim proizvodnim procesima, ali istraživanje pokazuje da dalji razvoj memorije ne mora zavisiti samo od smanjivanja dimenzija klasičnih tranzistora.
