Учёные разработали новый тип энергонезависимой памяти с изменением фазового состояния

Японские исследователи из университета Тохоку совершили прорыв в области энергонезависимой памяти, обнаружив, что слоистые никелаты способны обратимо переключать удельное электрическое сопротивление при комнатной температуре. Это открытие бросает вызов доминированию халькогенидов — материалов, десятилетиями определявших развитие фазовой памяти. В отличие от традиционных решений, новый класс оксидов переходных металлов демонстрирует не только лучшую термическую стабильность, но и принципиальную возможность многоуровневого переключения, что открывает путь к созданию более быстрых, долговечных и экологичных чипов памяти для повседневного применения.

Смена парадигмы: от халькогенидов к оксидам переходных металлов

До настоящего момента компьютерная память с изменением фазового состояния (PCM) полагалась исключительно на халькогениды — бинарные соединения элементов 16-й группы таблицы Менделеева с металлами. Эти материалы демонстрируют обратимые электрические изменения при переходе между кристаллическим и аморфным состояниями. Однако, как показало исследование, опубликованное в журнале Advanced Science 3 сентября 2023 года, оксиды переходных металлов, в частности слоистые никелаты, обладают аналогичным, но более совершенным механизмом.

Уникальная структура слоистого никелата

Слоистые никелаты — это сложные оксидные материалы на основе ионов никеля, структура которых представляет собой чередование слоёв атомов никеля и кислорода с прослойками из щелочноземельных или редкоземельных элементов. В данном эксперименте учёные синтезировали никелат, в котором слои стронция, висмута и кислорода в кубической решётке перемежаются перовскитными слоями из стронция, никеля и кислорода. Перовскиты, известные своей способностью к сверхпроводимости и сегнетоэлектричеству, стали ключом к обнаружению эффекта.

Термически возвратный фазовый переход: трёхстабильное состояние

Главным открытием стало то, что полученный материал демонстрирует термически возвратный кристаллический фазовый переход. В отличие от типичных необратимых процессов, происходящих однократно, никелат способен циклически переключаться между тремя различными кристаллическими фазами при нагревании и охлаждении. «По сути, материал может переключаться между тремя фазами несколько раз при нагревании и охлаждении», — пояснил один из участников исследования. Это обратимое изменение удельного электрического сопротивления при комнатной температуре закладывает основу для многоуровневой энергонезависимой памяти.

Почему оксиды переходных металлов превосходят халькогениды

Хотя халькогениды доказали свою эффективность, оксиды переходных металлов (железо, медь, цинк, молибден, кобальт и другие) обладают рядом фундаментальных преимуществ. Ранее эффект сегнетоэлектричества в них не изучался, что делало открытие японских учёных особенно ценным.

• Термическая и химическая стабильность: Оксиды переходных металлов значительно устойчивее к перепадам температур и агрессивным средам, что продлевает срок службы устройств.
• Доступность сырья: Многие из этих материалов более распространены в природе, чем халькогениды, что упрощает цепочку поставок.
• Технологическая совместимость: Оксиды легко интегрируются в существующие производственные процессы микроэлектроники, снижая барьер для внедрения.

Практическое значение для микроэлектроники

Обнаруженный механизм позволяет разрабатывать энергонезависимую память, способную работать в сложных условиях с увеличенным сроком службы. Многоуровневое переключение сопротивления означает, что одна ячейка памяти сможет хранить не один, а несколько битов информации, что резко повышает плотность записи. Исследование также пролило свет на общие принципы обратимого фазового перехода, что может стимулировать поиск аналогичных эффектов у других оксидных материалов, не привязываясь к конкретному составу.

Ранее разработка PCM-памяти была сосредоточена исключительно на халькогенидах, таких как сплавы германия, сурьмы и теллура (GST). Открытие обратимого переключения в никелатах может кардинально изменить направление исследований в области микроэлектроники. Поскольку оксиды переходных металлов уже широко используются в производстве полупроводников, их адаптация для фазовой памяти потребует меньших инвестиций в переоснащение заводов. Учитывая растущий спрос на энергоэффективные и долговечные решения для интернета вещей, носимой электроники и систем хранения данных, этот прорыв может ускорить коммерциализацию PCM-технологий, предлагая альтернативу флеш-памяти с более высокой скоростью записи и устойчивостью к износу.