Manipuliertes Hafnia ebnet den Weg für Speichergeräte der nächsten Generation

Wissenschaftler und Ingenieure drängen seit einem Jahrzehnt darauf, ein schwer fassbares ferroelektrisches Material namens Hafniumoxid oder Hafnia zu nutzen, um die nächste Generation von Computerspeichern einzuführen. Ein Forscherteam, darunter Sobhit Singh von der University of Rochester, veröffentlichte eine Studie im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften Darin werden die Fortschritte bei der Bereitstellung von ferroelektrischem und antiferroelektrischem Hafnium in großen Mengen für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen dargelegt.

In einer bestimmten Kristallphase weist Hafniumoxid ferroelektrische Eigenschaften auf, d. h. eine elektrische Polarisation, die durch Anlegen eines externen elektrischen Felds in die eine oder andere Richtung geändert werden kann. Diese Funktion kann in der Datenspeichertechnologie genutzt werden. Beim Einsatz in der Computertechnik hat der ferroelektrische Speicher den Vorteil der Nichtflüchtigkeit, was bedeutet, dass er seine Werte auch im ausgeschalteten Zustand beibehält – einer von mehreren Vorteilen gegenüber den meisten heute verwendeten Speichertypen.

„Hafnia ist aufgrund seiner praktischen Anwendungen in der Computertechnologie, insbesondere zur Datenspeicherung, ein sehr spannendes Material“, sagt Singh, Assistenzprofessor am Fachbereich Maschinenbau. „Derzeit verwenden wir zum Speichern von Daten magnetische Speicherformen, die langsam sind, viel Energie für den Betrieb benötigen und nicht sehr effizient sind. Ferroelektrische Speicherformen sind robust, ultraschnell, billiger in der Herstellung und energieeffizienter.“ .“

Aber Singh, der theoretische Berechnungen durchführt, um Materialeigenschaften auf Quantenebene vorherzusagen, sagt, dass Hafniumoxid im Grundzustand nicht ferroelektrisch ist. Bis vor Kurzem konnten Wissenschaftler Hafnia nur dann in seinen metastabilen ferroelektrischen Zustand bringen, wenn sie es als dünnen, zweidimensionalen Film mit einer Dicke von Nanometern formten.

Im Jahr 2021 war Singh Teil eines Wissenschaftlerteams an der Rutgers University, das Hafnia dazu brachte, in seinem metastabilen ferroelektrischen Zustand zu bleiben, indem es das Material mit Yttrium legierte und es schnell abkühlte. Doch dieser Ansatz hatte einige Nachteile. „Es war viel Yttrium nötig, um in die gewünschte metastabile Phase zu gelangen“, sagt er.

„Während wir also erreichten, was wir wollten, beeinträchtigten wir gleichzeitig viele wichtige Eigenschaften des Materials, weil wir viele Verunreinigungen und Unordnung in den Kristall einbrachten. Die Frage war, wie wir das erreichen können.“ metastabilen Zustand mit möglichst wenig Yttrium herzustellen, um die Eigenschaften des resultierenden Materials zu verbessern?“

In der neuen Studie berechnete Singh, dass man Hafnia in großen Mengen in seinen metastabilen ferroelektrischen und antiferroelektrischen Formen stabilisieren könnte, indem man erheblichen Druck ausübt – beides ist interessant für praktische Anwendungen in Daten- und Energiespeichertechnologien der nächsten Generation.

Ein Team unter der Leitung von Professor Janice Musfeldt von der University of Tennessee, Knoxville, führte die Hochdruckexperimente durch und zeigte, dass das Material beim vorhergesagten Druck in die metastabile Phase überging und dort blieb, auch wenn der Druck entfernt wurde.

„Das ist ein hervorragendes Beispiel experimentell-theoretischer Zusammenarbeit“, sagt Musfeldt.

Der neue Ansatz benötigte nur etwa halb so viel Yttrium als Stabilisator und verbesserte dadurch die Qualität und Reinheit der gezüchteten Hafnia-Kristalle erheblich. Nun sagt Singh, dass er und die anderen Wissenschaftler darauf drängen werden, immer weniger Yttrium zu verwenden, bis sie einen Weg gefunden haben, ferroelektrisches Hafnia in großen Mengen für eine breite Verwendung herzustellen.

Und da Hafnia aufgrund seiner faszinierenden Ferroelektrizität immer mehr Aufmerksamkeit auf sich zieht, organisiert Singh eine eingeladene Fokussitzung zu dem Material im Märztreffen der American Physical Society 2024.