Фізикам вперше вдалося безпосередньо дослідити електричні властивості оксиду гафнію, що вважається перспективним матеріалом для створення нового виду флеш-пам'яті - «флешок».
Флеш-пам'ять, що базується на використанні транзисторів для зберігання інформації, отримала широке поширення в останні десятиліття. На її основі створюються пристрої енергонезалежної, яка тобто зберігає інформацію при вимкненні комп'ютера пам'яті - твердотільні диски (SSD), різні карти пам'яті і USB-флеш-накопичувачі, широко відомі під розмовною назвою «флешки». Їхня ємність постійно зростає, і «флешки» вже фактично витіснили з побутового використання лазерні компакт-диски. Однак така флеш-пам'ять має серйозну нестачу - обмежений термін служби. Звичайна «флешка» витримує кілька тисяч циклів перезапису, а найдорожчі SSD - кілька сот тисяч. Після цього вони починають давати збої, втрачати інформацію, а то і зовсім відмовляються працювати.
Тому в усьому світі широко ведуться роботи з розробки нових видів енергонезалежної пам'яті, що володіє більшою довговічністю і швидкістю роботи. Один з перспективних напрямків досліджень - використання сегнетоелектриків - матеріалів, здатних підтримувати постійну поляризацію, грубо кажучи, власне електричне поле, яке може бути переорієнтоване додатком зовнішнього електричного поля. Це подібно до постійних магнітів і їх перемагання, за що дані матеріали за аналогією з ферромагнетиками також називають фероелектриками. Ця властивість дозволяє застосовувати сегнетоелектрики для зберігання двійкової інформації.
Одним з найбільш перспективних матеріалів для нових «флешок» вважається оксид гафнію (HfO2), оскільки всі інші відомі сегнетоелектрики з різних причин не можуть бути використані в сучасній наноелектроніці. Як діелектрик він давно використовується при виготовленні транзисторів. Але близько десяти років тому німецькі фізики виявили, що за певних умов (легування, температурної обробки тощо) дуже тонкий шар оксиду гафнію можна «переключити» в незвичайну для нього кристалічну структуру (фазу), що володіє сегнетоелектричними властивостями.
Елементарна комірка нового типу пам'яті являє собою найтонший - менше 10 нанометрів - шар сегнетоелектричного оксиду гафнію, до якого з двох сторін примикають керуючі електроди. Конструкція схожа на звичайний електричний конденсатор, а тому часто називається сегнетоелектричним конденсатором.
Щоб ефективно його використовувати, необхідно домогтися максимально можливої величини поляризації, а для цього - детально вивчити фізичні властивості цього нанослоя. У першу чергу необхідно знати, як розподіляється електричний потенціал всередині нього при подачі напруги на електроди. За десять років, що минули з моменту відкриття сегнетоелектричної фази HfO2, нікому з дослідників так і не вдалося вивчити цей розподіл потенціалу безпосередньо, вони використовували у своїй роботі лише різні математичні моделі.
А ось групі дослідників з лабораторії функціональних матеріалів і пристроїв для наноелектроніки МФТІ та їх колегам з Німеччини і США вдалося створити унікальну методику вимірювання розподілу електричного потенціалу сегнетоелектричного конденсатора. Про це вони розповіли в авторитетному науковому журналі з фізики твердого тіла, наноструктурам і матеріалознавству «Nanoscale».
Автори роботи застосували так звану високоенергетичну рентгенівську фотоелектронну спектроскопію. В основі спеціальної методики, розробленої співробітниками МФТІ, лежить явище фотоефекту, при якому електромагнітне випромінювання «вибиває» з матеріалу електрони. Вимірюючи енергію вилітають з сегнетоелектрика фотоелектронів у поєднанні з певними схемами опромінення структури, вдається отримати картину електричного потенціалу по всій товщині шару з нанометровою роздільною здатністю.
Метод вимагав застосування рентгенівського випромінювання, яке можна отримати тільки на спеціальних прискорювачах-синхротронах. Перевірку методики на виготовлених в МФТІ прототипах майбутніх осередків «нової пам'яті» дослідники провели на синхротроні PETRA III в дослідницькому центрі з фізики частинок DESY, розташованому в Гамбурзі (ФРН).
Дослідники очікують, що створені в МФТІ сегнетоелектричні елементи пам'яті в майбутньому зможуть працювати на порядок швидше нинішніх флешок або твердотільних дисків і витримувати 1010 циклів перезапису, що в сто тисяч разів більше, ніж допускають їх кращі сучасні зразки.
За матеріалами МФТІ.