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.
Идея использовать сегнетоэлектрики в качестве основы для энергонезависимой памяти не нова, однако все открытые ранее сегнетоэлектрики по разным причинам не могут быть использованы для этого. Открытие сегнетоэлектрических свойств HfO2 позволило физикам вернуться к идее постоянной памяти этого типа. Тем более, что оксид гафния давно освоен современной электронной промышленностью.
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.
via.
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.
Идея использовать сегнетоэлектрики в качестве основы для энергонезависимой памяти не нова, однако все открытые ранее сегнетоэлектрики по разным причинам не могут быть использованы для этого. Открытие сегнетоэлектрических свойств HfO2 позволило физикам вернуться к идее постоянной памяти этого типа. Тем более, что оксид гафния давно освоен современной электронной промышленностью.
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.
via.