Шаг к новой памяти

Физики научились измерять электрические потенциалы в пластине сегнетоэлектрика, что позволит создавать запоминающие устройства  нового типа.

В последние десятилетия всё большую популярность для хранения информации на компьютерах приобрели так называемые твердотельные накопители (SSD), в которых данные хранятся в микросхемах, а не на вращающихся металлических дисках, покрытых магнитным материалом, как в жёстких дисках. Сделанные по таким же технологиям «флешки» (флеш-память) фактически вытеснили из пользовательского обихода лазерные компакт-диски. Эти технологии совершенствуются уже около трех десятков лет.

Несмотря на достоинства новой памяти – скорость и компактность, традиционные жёсткие диски сдаваться не собираются. И дело не только в дороговизне SSD. Спустя примерно 10⁵–10⁶ циклов перезаписи, и флешки, и SSD начинают деградировать: давать сбои, терять информацию, а то и вовсе отказываются работать. Пока нет и речи о возможности замены жёстких дисков на SSD в системах, требующих повышенной надежности, — например, в серверном оборудовании. Поэтому во всем мире ведутся исследования по созданию новых видов энергонезависимой памяти (то есть сохраняющей информацию при выключении компьютера), которая будет быстрее, экономичнее, надёжнее и долговечнее.

Одним из наиболее перспективных материалов для данной цели считается оксид гафния (HfO₂). Этот диэлектрик стал известен после того, как его начали использовать в микроэлектронике при изготовлении транзисторов в процессорах. А около 10 лет назад немецкие исследователи обнаружили, что при определенной обработке очень тонкий слой оксида гафния можно «переключить» в необычную для него кристаллическую фазу, которая обладает сегнетоэлектрическими свойствами. Это значит, что под воздействием внешнего электрического поля в кристалле возникает остаточная поляризация, сохраняющаяся после выключения поля, а, значит, появляется возможность применять его для хранения информации.

Элементарная ячейка памяти нового типа представляет собой тончайший — менее 10 нанометров — слой сегнетоэлектрического оксида гафния, к которому с двух сторон примыкают управляющие электроды. Конструкция похожа на обычный электрический конденсатор. Но для того, чтобы сегнетоэлектрические конденсаторы можно было эффективно использовать в качестве ячеек памяти, необходимо добиться в них максимально возможной величины поляризации, а для этого надо детально изучить физические свойства этого нанослоя. Одна из важнейших частей этого знания — представление о том, как распределяется электрический потенциал внутри слоя при подаче напряжения на электроды. Однако за десять лет, прошедших с момента открытия сегнетоэлектрической фазы HfO₂, никому из исследователей не удавалось изучить это распределение потенциала непосредственно, поэтому приходилось использовать различные математические модели.

Эту задачу удалось решить группе исследователей из лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ и их коллегам из Германии и США. Для измерений они применили метод так называемой высокоэнергетической рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. В его основе лежит явление фотоэффекта – «выбивание» электронов из вещества падающими фотонами электромагнитного излучения. Измеряя энергию вылетающих из сегнетоэлектрика фотоэлектронов в сочетании с определенными схемами облучения изучаемых структур, исследователи получили картину электрического потенциала по всей толщине слоя с точностью до нанометров.

Разработанная сотрудниками МФТИ методика, потребовала применения рентгеновского излучения с высокой энергией фотонов, которое можно получить только на специальных ускорителях-синхротронах. Такой находится в Гамбурге (ФРГ), где и были проведены измерения на прототипах будущих ячеек «новой памяти», изготовленных в МФТИ. Описание разработанной уникальной методики измерений исследователи опубликовали в журнале Nanoscale.

По словам одного из авторов работы, Андрея Зенкевича, заведующего лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ, на основе созданных в МФТИ сегнетоэлектрических конденсаторов, можно изготовить ячейки памяти, способной обеспечить 1010 циклов перезаписи — в сто тысяч раз больше, чем допускают современные компьютерные флешки и твердотельные диски. Кроме того они будут работать на порядок быстрее.

По материалам пресс релиза МФТИ.