Un enfoque impulsado por protones que permite múltiples transiciones de fase ferroeléctrica sienta las bases para chips de computadora de potencia ultrabaja y alta capacidad.
Un equipo internacional dirigido por KAUST ha descubierto que un enfoque mediado por protones que produce múltiples transiciones de fase en materiales ferroeléctricos podría ayudar a desarrollar dispositivos de memoria de alto rendimiento, como chips informáticos neuromórficos o inspirados en el cerebro. El artículo se publica en la revista Science Advances. .
Los ferroeléctricos, como el seleniuro de indio, son materiales intrínsecamente polarizados que cambian de polaridad cuando se colocan en un campo eléctrico, lo que los hace atractivos para la creación de tecnologías de memoria. Además de requerir voltajes operativos bajos, los dispositivos de memoria resultantes muestran una resistencia máxima de lectura/escritura y velocidades de escritura excelentes, pero su capacidad de almacenamiento es baja. Esto se debe a que los métodos existentes sólo pueden activar unas pocas fases ferroeléctricas, y capturar estas fases es un desafío experimental, dice Xin He, quien codirigió el estudio bajo la dirección de Fei Xue y Xixiang Zhang.
Ahora, el método ideado por el equipo se basa en la protonación del seleniuro de indio para generar multitud de fases ferroeléctricas. Los investigadores incorporaron el material ferroeléctrico en un transistor que consta de una heteroestructura apilada soportada por silicio para su evaluación.
Depositaron una película de seleniuro de indio multicapa sobre la heteroestructura, que comprendía una lámina aislante de óxido de aluminio intercalada entre una capa de platino en la parte inferior y sílice porosa en la parte superior. Mientras que la capa de platino sirvió como electrodos para el voltaje aplicado, la sílice porosa actuó como electrolito y suministró protones a la película ferroeléctrica.
Los investigadores inyectaron o eliminaron gradualmente protones de la película ferroeléctrica cambiando el voltaje aplicado. Esto produjo de forma reversible varias fases ferroeléctricas con diversos grados de protonación, lo cual es crucial para implementar dispositivos de memoria multinivel con una capacidad de almacenamiento sustancial.
Los voltajes positivos más altos aplicados aumentaron la protonación, mientras que los voltajes negativos de amplitudes más altas redujeron los niveles de protonación en mayor medida.
Los niveles de protonación también variaron dependiendo de la proximidad de la capa de película a la sílice. Alcanzaron valores máximos en la capa inferior, que estaba en contacto con la sílice, y disminuyeron gradualmente hasta alcanzar cantidades mínimas en la capa superior.
Inesperadamente, las fases ferroeléctricas inducidas por protones volvieron a su estado inicial cuando se apagó el voltaje aplicado. "Observamos este fenómeno inusual porque los protones se difundieron fuera del material y hacia la sílice", explica Xue.
Al fabricar una película que mostraba una interfaz fluida y continua con la sílice, el equipo obtuvo un dispositivo de alta eficiencia de inyección de protones que funciona por debajo de 0,4 voltios, lo cual es clave para desarrollar dispositivos de memoria de bajo consumo. "Nuestro mayor desafío fue reducir el voltaje operativo, pero nos dimos cuenta de que la eficiencia de la inyección de protones a través de la interfaz gobernaba los voltajes operativos y podía ajustarse en consecuencia", dice Xue.
"Estamos comprometidos a desarrollar chips informáticos neuromórficos ferroeléctricos que consuman menos energía y funcionen más rápido", afirma Xue.
Más información: Xin He et al, Conmutación reversible mediada por protones de fases ferroeléctricas metaestables con voltajes de operación bajos, Avances científicos (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg4561
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah
