Инъекция протонов превратит ферроэлектрик в основу для кремниевого «мозга»
Исследователи из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST) нашли способ кардинально повысить эффективность ферроэлектрических материалов, что может привести к созданию принципиально новых типов компьютерной памяти и нейроморфных процессоров, работающих на сверхнизком напряжении.
Прорыв в управлении поляризацией
В основе открытия лежит метод принудительного насыщения ферроэлектрических плёнок протонами. Эксперименты показали, что это позволяет кратно увеличить количество фаз поляризации в материале. Именно многообразие таких фаз является критически важным условием для создания многоуровневых ячеек памяти высокой плотности, способных хранить более одного бита информации.
Эксперимент с селенидом индия
В качестве базового материала учёные использовали селенид индия — классический ферроэлектрик, способный менять свою поляризацию под воздействием внешнего поля. Ключевой проблемой, сдерживающей миниатюризацию устройств на его основе, была сложность формирования и регистрации множества поляризационных состояний. Команда KAUST решила эту задачу, внедрив в структуру материала протоны.
Технически эксперимент выглядел следующим образом. Тонкая плёнка селенида индия была размещена на слое пористого кремния, который выполнял функцию электролита. Вся конструкция покоилась на изолирующем оксиде алюминия, нанесённом на платиновый электрод. При подаче напряжения кремний начинал поставлять протоны в плёнку ферроэлектрика. Меняя полярность, исследователи могли либо накапливать протоны в материале, либо выводить их обратно.
Многообразие состояний при сверхнизком напряжении
Результаты превзошли ожидания. Учёные смогли получить несколько различных ферроэлектрических фаз с разной степенью протонирования. При этом управление процессом оказалось очень тонким: уровень насыщения протонами плавно менялся от нижнего слоя, контактирующего с кремнием, к верхнему. Самое важное для практического применения — все изменения электрических состояний происходили при напряжении менее 0,4 вольта. Для современной малопотребляющей электроники это значение является крайне перспективным.
Было обнаружено и неожиданное свойство: после снятия напряжения все протоны покидали материал, возвращая его в исходное состояние. Для создания энергонезависимой памяти, которая сохраняет данные при отключении питания, это недостаток. Однако для других приложений, где требуется динамическое переключение, такой режим может оказаться востребованным.
«Мы намерены разработать ферроэлектрические нейроморфные вычислительные чипы, которые будут потреблять меньше энергии и работать быстрее», — заявили авторы работы в статье, опубликованной в журнале Science Advances.
Предшествующие исследования в области ферроэлектриков были в основном сосредоточены на поиске новых составов материалов или легировании их примесями. Подход с динамическим протонированием, предложенный группой KAUST, предлагает принципиально иной способ управления свойствами, открывая доступ к большему числу стабильных состояний без изменения химической формулы самого материала.
С практической точки зрения, открытие способно ускорить переход от традиционной архитектуры фон Неймана, где память и процессор разделены, к нейроморфным системам, работающим по принципу человеческого мозга. Возможность управлять множеством состояний материала при сверхнизком напряжении напрямую ведёт к созданию более энергоэффективных чипов для задач искусственного интеллекта и обработки больших данных. Память на основе протонированных ферроэлектриков может стать значительно более плотной, чем современные флеш-накопители, при сопоставимом или даже меньшем энергопотреблении.
