Фізики навчилися вимірювати електричні потенціали в пластині сегнетоелектрика, що дозволить створювати запам'ятовуючі пристрої нового типу.
В останні десятиліття все більшої популярності для зберігання інформації на комп'ютерах придбали так звані твердотільні накопичувачі (SSD), в яких дані зберігаються в мікросхемах, а не на обертових металевих дисках, покритих магнітним матеріалом, як у жорстких дисках. Зроблені за такими ж технологіями «флешки» (флеш-пам'ять) фактично витіснили з користувацького вжитку лазерні компакт-диски. Ці технології вдосконалюються вже близько трьох десятків років.
Незважаючи на переваги нової пам'яті - швидкість і компактність, традиційні жорсткі диски здаватися не збираються. І справа не тільки в дорожнечі SSD. Приблизно через 105-106 циклів перезапису, і флешки, і SSD починають деградувати: давати збої, втрачати інформацію, а то і зовсім відмовляються працювати. Поки немає і мови про можливість заміни жорстких дисків на SSD в системах, які потребують підвищеної надійності, - наприклад, в серверному обладнанні. Тому по всьому світі ведуться дослідження зі створення нових видів енергонезалежної пам'яті (тобто зберігає інформацію при вимкненні комп'ютера), яка буде швидшою, економічнішою, надійнішою і довговічнішою.
Одним з найбільш перспективних матеріалів для даної мети вважається оксид гафнію (HfO2). Цей діелектрик став відомим після того, як його почали використовувати в мікроелектроніці при виготовленні транзисторів у процесорах. А близько 10 років тому німецькі дослідники виявили, що при певній обробці дуже тонкий шар оксиду гафнію можна «переключити» в незвичайну для нього кристалічну фазу, яка володіє сегнетоелектричними властивостями. Це означає, що під впливом зовнішнього електричного поля в кристалі виникає залишкова поляризація, що зберігається після вимикання поля, а, значить, з'являється можливість застосовувати його для зберігання інформації.
Ідея використовувати сегнетоелектрики в якості основи для енергонезалежної пам'яті не нова, проте всі відкриті раніше сегнетоелектрики з різних причин не можуть бути використані для цього. Відкриття сегнетоелектричних властивостей HfO2 дозволило фізикам повернутися до ідеї постійної пам'яті цього типу. Тим більше, що оксид гафнію давно освоєний сучасною електронною промисловістю.
Елементарна комірка пам'яті нового типу являє собою найтонший - менше 10 нанометрів - шар сегнетоелектричного оксиду гафнію, до якого з двох сторін примикають керуючі електроди. Конструкція схожа на звичайний електричний конденсатор. Але для того, щоб сегнетоелектричні конденсатори можна було ефективно використовувати в якості комірок пам'яті, необхідно домогтися в них максимально можливої величини поляризації, а для цього треба детально вивчити фізичні властивості цього нанослоя. Одна з найважливіших частин цього знання - уявлення про те, як розподіляється електричний потенціал всередині шару при подачі напруги на електроди. Однак за десять років, що минули з моменту відкриття сегнетоелектричної фази HfO2, нікому з дослідників не вдавалося вивчити цей розподіл потенціалу безпосередньо, тому доводилося використовувати різні математичні моделі.
Це завдання вдалося вирішити групі дослідників з лабораторії функціональних матеріалів і пристроїв для наноелектроніки МФТІ та їх колегам з Німеччини і США. Для вимірювань вони застосували метод так званої високоенергетичної рентгенівської фотоелектронної спектроскопії. В його основі лежить явище фотоефекту - «вибивання» електронів з речовини падаючими фотонами електромагнітного випромінювання. Вимірюючи енергію вилітають з сегнетоелектрика фотоелектронів у поєднанні з певними схемами опромінення вивчених структур, дослідники отримали картину електричного потенціалу по всій товщині шару з точністю до нанометрів.
Розроблена співробітниками МФТІ методика, зажадала застосування рентгенівського випромінювання з високою енергією фотонів, яке можна отримати тільки на спеціальних прискорювачах-синхротронах. Такий знаходиться в Гамбурзі (ФРН), де і були проведені вимірювання на прототипах майбутніх осередків «нової пам'яті», виготовлених в МФТІ. Опис розробленої унікальної методики вимірювань дослідники опублікували в журналі Nanoscale.
За словами одного з авторів роботи, Андрія Зенкевича, завідувача лабораторією функціональних матеріалів і пристроїв для наноелектроніки МФТІ, на основі створених в МФТІ сегнетоелектричних конденсаторів, можна виготовити осередки пам'яті, здатної забезпечити 1010 циклів перезапису - в сто тисяч разів більше, ніж допускають сучасні комп'ютерні флешки і твердотельні диски. Крім того вони працюватимуть на порядок швидше.
За матеріалами прес-релізу МФТІ.