Eine Entdeckung eines internationalen Wissenschaftlerteams hat ferroelektrisches und ohmsches Schaltverhalten bei Raumtemperatur in Einzelelement-Nanodrähten aus Tellur (Te) aufgedeckt und damit den Weg für Fortschritte in der Datenspeicherung mit ultrahoher Dichte und im neuromorphen Computing geebnet.
Veröffentlicht in Naturkommunikationmarkiert diese Forschung die erste experimentelle Beweise der Ferroelektrizität in Te-Nanodrähten, einem Einzelelementmaterial, das bisher nur in theoretischen Modellen vorhergesagt wurde.
„Ferroelektrische Materialien sind Substanzen, die elektrische Ladung speichern und auch dann behalten können, wenn der Strom abgeschaltet wird, und ihre Ladung kann durch Anlegen eines externen elektrischen Feldes umgeschaltet werden – eine Eigenschaft, die für nichtflüchtige Speicheranwendungen unerlässlich ist“, betont Co-Correspondent Autor des Artikels Professor Yong P. Chen, leitender Forscher am Advanced Institute for Materials Research (AIMR) der Tohoku-Universität und Professor an den Universitäten Purdue und Aarhus.
Während Ferroelektrizität in Verbindungen häufig vorkommt, zeigen Einzelelementmaterialien wie Te aufgrund ihrer symmetrischen Atomstrukturen selten dieses Verhalten.
Chen und seine Kollegen zeigten jedoch, dass Te-Nanodrähte dank der einzigartigen Atomverschiebung innerhalb ihrer eindimensionalen Kettenstruktur bei Raumtemperatur robuste ferroelektrische Eigenschaften aufweisen. Die Entdeckung wurde mittels Piezoresponse-Force-Mikroskopie (PFM) und hochauflösender Rastertransmissionselektronenmikroskopie gemacht.
Aufbauend auf dieser Entdeckung entwickelte das Team ein neuartiges Gerät – einen selbstgesteuerten ferroelektrischen Feldeffekttransistor (SF-FET) – der sowohl ferroelektrische als auch halbleitende Eigenschaften in einem einzigen Gerät vereint. Der SF-FET weist eine außergewöhnliche Datenspeicherung, schnelle Schaltgeschwindigkeiten von weniger als 20 Nanosekunden und eine beeindruckende Speicherdichte von über 1,9 Terabyte pro Quadratzentimeter auf.
„Unser Durchbruch eröffnet neue Möglichkeiten für Speichergeräte der nächsten Generation, bei denen die hohe Mobilität und die einzigartigen elektronischen Eigenschaften von Te-Nanodrähten dazu beitragen könnten, Gerätearchitekturen zu vereinfachen“, sagt Yaping Qi, Assistenzprofessor am AIMR und Co-Erstautor der Studie.
„Unser SF-FET-Gerät könnte auch in zukünftigen Systemen der künstlichen Intelligenz eine entscheidende Rolle spielen und neuromorphes Computing ermöglichen, das die Funktion des menschlichen Gehirns nachahmt. Darüber hinaus können die Ergebnisse dazu beitragen, den Stromverbrauch in elektronischen Geräten zu senken und so dem Bedarf an nachhaltiger Technologie gerecht zu werden.“
Derzeit erforscht das Team am AIMR, dem Qi und Chen angehören, in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Hao Li neue ferroelektrische 2D-Materialien mithilfe von Techniken der künstlichen Intelligenz (KI). Dies könnte zur Entdeckung weiterer Materialien mit vielversprechenden ferroelektrischen Eigenschaften oder zu weiteren Anwendungen über die Speicherspeicherung hinaus führen, beispielsweise zum neuromorphen Rechnen.
Weitere Informationen:
Jinlei Zhang et al., Ferroelektrisches, piezoelektrisches und ohmsches Schaltverhalten von Einzelelement-Te-Nanodrähten bei Raumtemperatur, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52062-6