Вчені вирішили проблему довговічності феелектриків

Вчені з Університету електронної науки та техніки Сіаню (Xidian University) у співпраці з колегами з Університету Гонконгу та Фуданського університету досягли значного прориву у вирішенні проблеми довговічності феелектричних матеріалів, зокрема тих, що мають структуру вюрциту. Це відкриття має ключове значення для розробки нового покоління енергонезалежних пам’ятей.

Проблема довговічності феелектриків

Феелектричні пам’яті використовують здатність матеріалів зберігати інформацію шляхом зміни напрямку поляризації на атомному рівні. Матеріали типу нітриду алюмінію-скандію (AlScN), що мають структуру вюрциту, вважаються перспективними кандидатами для створення таких пристроїв завдяки їхній високій впорядкованості та сумісності з сучасними технологіями виробництва чіпів. Однак, ці матеріали страждають від низької довговічності: типові пристрої виходять з ладу приблизно після 100 мільйонів циклів перезапису.

Дослідники раніше спостерігали такі явища, як збільшення витоку струму та деградація феелектричних властивостей. Проте, чітке розуміння того, як дефекти всередині матеріалу рухаються, еволюціонують та призводять до руйнування пристрою під дією циклічного електричного поля, залишалося незрозумілим.

Виявлення механізму руйнування

Команда професорів Хан Генцюань та Чжоу Цзюжень, використовуючи комплексні методи аналізу, такі як аналіз електричної провідності, електронна дифракційна мікроскопія, спектроскопія втрат енергії електронів, аналіз геометричних фазових деформацій та первинні обчислення, відстежила динамічну еволюцію дефектів на атомному рівні. Основна увага була зосереджена на так званих «вакансіях азоту» (nitrogen vacancies).

Дослідження виявило, що циклічне електричне поле постійно стимулює перерозподіл, локальну кластеризацію та далекобійну міграцію вакансій азоту. Цей процес призводить до двох основних шляхів руйнування:

• Формування каналів витоку: Далекобійна міграція вакансій азоту сприяє утворенню каналів витоку, що проходять крізь всю товщину тонкої плівки, зрештою призводячи до «жорсткого пробою».
• Деградація сигналу: Локальна перебудова вакансій азоту, у поєднанні з перебудовою кристалічної решітки, пов’язаною з поляризацією, поступово призводить до згасання сигналу пам’яті.

Новий підхід: стабілізація топології вакансій азоту

Базуючись на виявленому механізмі, команда запропонувала концепцію «топологічної стабілізації вакансій азоту» (nitrogen vacancy topology stabilization). Був розроблений двовимірний підхід до контролю дефектів, що поєднує просторові та енергетичні методи.

• Просторовий контроль: Створення надрешітчастих структур з нітриду алюмінію-скандію / нітриду алюмінію (AlScN/AlN). Періодично вставлені шари нітриду алюмінію діють як бар’єр, що перешкоджає далекобійній міграції вакансій азоту вздовж товщини плівки.
• Енергетичний контроль: Застосування методів динамічного відновлення, які сприяють перерозподілу вже локалізованих скупчень вакансій азоту.

Синергетична дія цих двох методів забезпечує стабільність просторової конфігурації вакансій азоту навіть під тривалим електричним навантаженням.

Революційні результати

Тестування показало, що надрешітчасті структури, виготовлені за допомогою цієї схеми, демонструють довговічність, що перевищує 10 мільярдів циклів, при збереженні повної поляризації. Це приблизно в 100 разів більше, ніж попередні показники. Крім того, після 1 мільярда циклів втрата сигналу пам’яті контролювалася в межах 3%.

Професор Чжоу Цзюжень зазначив: «Раніше оптимізація терміну служби переважно залежала від зміни складу матеріалу або налаштування технологічних параметрів. Тепер, завдяки чіткому мікроскопічному фізичному образу, ми можемо розробляти цілеспрямовані стратегії контролю. Ця концепція має потенціал для застосування до інших схожих феелектричних матеріалів зі структурою вюрциту».

Результати дослідження були опубліковані 11 вересня у престижному міжнародному науковому журналі Science. Першим автором статті є Ван Жуйцін, аспірант Xidian University, а Чжу Фен, дослідник з Науково-дослідного інституту Ханчжоу, також є першим автором. Професори Хан Генцюань та Чжоу Цзюжень виступили відповідальними авторами. У дослідженні також брали участь Гонконзький університет та Фуданський університет.

(За матеріалами IT之家)

Джерело: https://www.ithome.com/1/007/148.htm