Bu resim, hafnia atom yapısının sanatsal bir izlenimini göstermektedir. Katkıda bulunan kişi: Springer Nature’ın izniyle yayınlanmıştır
Genellikle hafina olarak anılan hafniyum dioksitin özellikleri, ilk bakışta önemsiz gibi görünebilir. Bununla birlikte, bu malzeme ultra ince katmanlara dönüştürüldüğünde büyüleyici özellikler sergiliyor: katmanlar, dipollerin bir elektrik alanıyla değiştirilmesi yoluyla kalıcı bilgisayar belleği olarak kullanılabilir.
Ayrıca, bunların gücü nedeniyle, bu katmanlar kalıcı bilgisayar belleği olarak kullanılabilir. dipoller geçmişte yaşadıkları elektrik alanından etkilenirler ve ‘beyin benzeri’ bilgisayar mimarileri için memristörler oluşturmak için idealdirler.
Groningen Üniversitesi’nde Fonksiyonel Nanomalzemeler Profesörü Beatriz Noheda, malzemeyi inceledi ve yakın zamanda Nature Materials dergisi için özellikleri hakkında bir Perspektif makalesi yazdı. Şöyle belirtiyor: “Fiziğin tamamını anlamasak da zaten cihazlarda kullanılıyor.”
Ben Beatriz Noheda, Fonksiyonel Nanomalzemeler Profesörü ve Groningen’in bilimsel direktörü. Groningen Üniversitesi (Hollanda) Bilişsel Sistemler ve Malzeme Merkezi. Nature Materials’da yayınlanan Hafniyum Oksit ferroelektriklere ilişkin Perspektif makalesinin baş yazarıdır. Kredi: Groningen Üniversitesi
Daha verimli bilgisayarlar oluşturmak için hızlı, kalıcı, rastgele erişimli belleğe (RAM) ihtiyaç vardır. Ferroelektrik malzemelerin iyi adaylar olduğu ortaya çıktı. Bu malzemeler, bir elektrik alanı kullanılarak toplu olarak geçiş yapacak dipollere sahip birimlerden oluşur. Ancak birim sayısı çok küçükse özellikleri bozulur; yaklaşık 90 nanometrenin altında kendiliğinden depolarizasyon meydana gelir.
Oksijen boşlukları
Hafniya bunun bir istisnasıdır. Beatriz Noheda, “Bu, aşağı yukarı tesadüfen keşfedildi” diyor. Hafnia, yüksek sıcaklıklarda ve zorlu ortamlarda oldukça stabildir ve geleneksel olarak metalurji ve kimya mühendisliği endüstrisinde kullanılır. Ancak amorf hafnianın transistörlerde çok etkili bir kapı yalıtkanı olduğu ortaya çıkınca mikroçip üreticilerinin dikkatini çekti. Noheda: “Geleneksel silikon oksidin hafnia ile değiştirilmesiyle transistörler daha küçük yapılabilir.”
Noheda’nın malzemeye olan ilgisi, üyesi olduğu Groningen Bilişsel Sistemler ve Malzeme Merkezi (CogniGron) için yaptığı çalışmalardan kaynaklanıyor. bilimsel direktör. CogniGron’un amacı nöromorfik bir bilgi işlem mimarisi yaratmaktır. Hafnia da orada incelenen malzemelerden biri. “Science tarafından 2021’de yayınlanan bir makalede, geçişin nasıl sadece dipoller yoluyla gerçekleşmediğini açıklıyoruz. Oksijen boşluklarının hareketinin de rol oynadığını bulduk” diyor Noheda. Deneyimlerine dayanarak, Nature Materials için bir Perspective makalesinde hafniyadan alınan dersleri tartışmaya davet edildi.
Sürdürülebilir
Hafnia bir ferroelektrik gibi davranır, ancak özelliklerini yalnızca belirli bir sıcaklıkta korur. nanometre ölçeği. Noheda: “Ferroelektrikler, çok küçük, uçucu olmayan RAM konusunda yarışın dışında gibi görünüyordu, ancak hafnia ile artık lider durumdalar.” Bununla birlikte, hafnia’nın tam olarak ferroelektrik gibi davranmadığı görülüyor. Noheda, “Potansiyelini tam olarak kullanabilmek için bunu anlamamız gerekiyor” diyor. ‘Ve oraya varacağımıza inanıyorum. Belirtildiği gibi, oksijen boşluklarının hareketi, özellikleri açısından çok önemli görünüyor.”
Noheda ayrıca dikkate alınması gereken başka bir kavrama da işaret ediyor: nanopartiküllerdeki yüzey enerjisi. “Faz diyagramı, bu parçacıkların nispeten geniş yüzey alanının, hafniyum dioksitte son derece yüksek bir basınca eşdeğer oluşturduğunu gösteriyor; bu da, bu malzemenin özelliklerinde rol oynuyor gibi görünüyor.” Bu tür bilgi, hafniyum gibi davranan diğer malzemelerin araştırılmasında önemlidir. “Hafniyum, dünya çapındaki kaynaklar çok küçük olduğundan mikroçip üretimi için en sürdürülebilir seçenek değil. Benzer özelliklere sahip malzemeleri arayarak daha iyi bir aday bulabiliriz.” Seçeneklerden biri zirkonyum olabilir.
Nöromorfik çipler
Hafniyum için sürdürülebilir bir alternatif bulmak, ferroelektriklerin RAM belleğinde kullanımını hızlandırabilir. Ve dipol kuvveti, dipolleri üreten elektrik alanının geçmişine bağlı olduğundan, 0 ve 1 gibi klasik ikili değerler arasında ara değerlere izin veren memristörler üretmek için ideal bir malzeme olacaktır.’ Bu tür analog cihazlar, beynimizdeki nöronlar nöromorfik bilgisayar mimarisine aday olabilir. “Böyle nöromorfik çipler üzerinde çalışıyoruz. Ancak öncelikle hafniyum dioksit ve benzeri malzemelerin fiziğini tam olarak anlamamız gerekiyor.”
Kaynak: “Lessons from hafnium dioksit bazlı ferroelektrikler”, Beatriz Noheda, Pavan Nukala ve Mónica Acuautla, 3 Mayıs 2023, Nature Materials .
DOI: 10.1038/s41563-023-01507-2
Perspektif makalesi, Groningen Mühendislik ve Teknoloji Enstitüsü’nden (ENTEG) Monica Acuautla ile işbirliği içinde yazılmıştır. Groningen Üniversitesi (Hollanda) ve IISC Bengaluru’dan (Hindistan) Pavan Nukala.