Nanoskalige Methode fördert Materialien für fortschrittliche Speicherspeicherung

Technologien der nächsten Generation, wie hochmoderne Speicherlösungen und vom Gehirn inspirierte neuromorphe Computersysteme, könnten nahezu jeden Aspekt unseres Lebens berühren – von den Geräten, die wir täglich verwenden, bis hin zu Lösungen für große globale Herausforderungen. Diese Fortschritte basieren auf speziellen Materialien, darunter Ferroelektrika – Materialien mit schaltbaren elektrischen Eigenschaften, die die Leistung und Energieeffizienz verbessern.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums hat eine neuartige Technik zur Schaffung präziser Atomanordnungen in Ferroelektrika entwickelt und damit einen robusten Rahmen für die Weiterentwicklung leistungsstarker neuer Technologien geschaffen. Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Natur-Nanotechnologie.

„Die lokale Modifikation der Atome und elektrischen Dipole, aus denen diese Materialien bestehen, ist entscheidend für neue Informationsspeicherung, alternative Berechnungsmethoden oder Geräte, die Signale bei hohen Frequenzen umwandeln“, sagte Marti Checa vom ORNL, der leitende Forscher des Projekts. „Unser Ansatz fördert Innovationen, indem er die bedarfsgesteuerte Neuanordnung atomarer Ausrichtungen in spezifische Konfigurationen ermöglicht, die als topologische Polarisationsstrukturen bekannt sind und in der Natur möglicherweise nicht vorkommen.“

In diesem Zusammenhang bezieht sich Polarisation auf die Ausrichtung kleiner, interner permanenter elektrischer Felder im Material, die als ferroelektrische Dipole bekannt sind.

Um komplexe Strukturen zu erzeugen, die bei Bedarf aktiviert werden können, nutzt die Technik des Teams einen elektrischen Stift, der wie ein superfeiner Bleistift funktioniert. Der Stift kann elektrische Dipole in Ferroelektrika mühelos verändern, indem er sie in ausgewählte Richtungen ausrichtet, ähnlich wie Kinder Bilder auf magnetischen Zeichenbrettern erstellen.

So wie der Grundriss einer Stadt die Art und Weise prägt, wie Menschen sich darin bewegen, verleihen entworfene topologische Strukturen den Materialien besondere Eigenschaften. Der Stift bietet spannende Möglichkeiten zur Herstellung von Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften, die sich ideal für die Nanoelektronik mit geringem Stromverbrauch und die Hochgeschwindigkeits-Breitbandkommunikation eignen, die für die 6G-Ära unerlässlich ist.

Der Übergang vom 5G-Standard zur sechsten Generation der Mobilfunktechnologie wird erhebliche Fortschritte und Veränderungen bei der Gestaltung und Nutzung von Kommunikationsnetzen mit sich bringen. Breitband- und Computertechnologien sind eng miteinander verbunden und steigern jeweils die Leistung der anderen. Daher werden innovative Materialien eine entscheidende Rolle bei der Erweiterung der Möglichkeiten der Informatik spielen.

Kommende Fortschritte in der Nanoelektronik

Heutige klassische Computer kommunizieren in einer einfachen Sprache aus „Ja“ und „Nein“, dargestellt durch Einsen und Nullen. Dieses binäre System basiert auf dem Stromfluss durch winzige Schaltkreise. Dieses Dual-Choice-Framework ist jedoch aufgrund der Anforderungen beim Schreiben und Lesen von Daten einschränkend und energieintensiv.

Im Gegensatz dazu können topologische Polarisationsstrukturen ihre Polarisationszustände schnell und effektiv ändern und bieten so eine hohe Stabilität bei geringem Energieverbrauch beim Schalten. Dieser schnelle Polarisationswechsel erhöht den Wert von Ferroelektrika und verbessert die Geschwindigkeit, Effizienz und Vielseitigkeit verschiedener Geräte. Darüber hinaus ermöglichen sie eine Datenspeicherung ohne Strom und ebnen so den Weg für die Entwicklung energieeffizienter Computersysteme mit hoher Dichte.

Wissenschaftler erforschen Materialien, die Informationen schneller verarbeiten können, wie es für die Breitbandkommunikation der 6G-Ära erforderlich ist. Diese Strukturen können dank intrinsischer Sub-Terahertz-Resonanzen, bei denen es sich um natürliche Schwingungen oder Vibrationen innerhalb eines Materials oder Systems handelt, die bei Frequenzen unter einem Terahertz – einer Billion Hertz – auftreten, auch in Geräten genutzt werden, die bei hohen Frequenzen arbeiten.

Ein solcher Fortschritt könnte die Rechenleistung und Effizienz zukünftiger Computersysteme erheblich steigern und sie in die Lage versetzen, komplexere Probleme zu lösen und Aufgaben mit größerer Anpassungsfähigkeit und Geschwindigkeit auszuführen – Fähigkeiten, die klassische Computer nur schwer erreichen können.

Schließlich ermöglichen diese Strukturen die präzise Steuerung elektronischer und optischer Eigenschaften und könnten somit für abstimmbare optoelektronische Geräte verwendet werden. Durch die Kombination einzigartiger elektrischer, mechanischer und thermischer Eigenschaften eignen sich Ferroelektrika hervorragend für neuromorphes Computing und andere neue Technologien.

Schnelle Polarisationsverschiebungen, Superdomänendynamik

Die vom ORNL geleitete Forschung enthüllte, wie ein fortschrittliches ferroelektrisches Keramikmaterial, allgemein bekannt als PSTO, seine Polarisation in einem mehrstufigen Prozess unter Führung des elektrischen Stifts umschaltet. PSTO oder Blei-Strontium-Titanat besteht im Wesentlichen aus Blei, Strontium, Titan und Sauerstoff.

Ein Konzept namens Schleppfeld wird üblicherweise verwendet, um zu erklären, warum Ferroelektrika ihre winzigen elektrischen Dipole – kleine positive und negative Ladungen – in der Materialebene als Reaktion auf ein elektrisches Feld, das sich entlang der Oberfläche bewegt, neu ausrichten.

Als Alternative schlug das Forschungsteam jedoch die Existenz eines Zwischenzustands außerhalb der Ebene vor, um die Phase zu beschreiben, die auftritt, während das Material von einem Polarisationszustand in einen anderen übergeht. Diese Phase ist eine kurze Verschiebung der Polarisationsrichtung, die auftritt, wenn der vertikale Teil eines elektrischen Feldes die elektrischen Dipole vorübergehend aus der Ebene der Oberfläche ausrichtet, wenn sich die Polarisation in einer dünnen Schicht aus ferroelektrischem Material ändert.

Die Erkenntnisse der Wissenschaftler über den Zwischenzustand außerhalb der Ebene haben die präzise, ​​bedarfsgesteuerte Manipulation von Superdomänenstrukturen ermöglicht. Superdomänenstrukturen sind großräumige Muster winziger Regionen innerhalb ferroelektrischer Materialien wie PSTO, jede mit einer unterschiedlichen Ausrichtung elektrischer Dipole. Superdomänenstrukturen sind wichtig, weil sie die Leistung der Materialien in verschiedenen Anwendungen beeinflussen, indem sie ihr Gesamtverhalten und ihre Eigenschaften beeinflussen.

Diese Studie zeigte auch die Fähigkeit, das empfindliche Gleichgewicht zwischen elastischer und elektrostatischer Energie zu untersuchen. Ferroelektrika weisen sowohl mechanische (elastische) als auch elektrische (elektrostatische) Energiewechselwirkungen auf, die sich gegenseitig beeinflussen. Beispielsweise kann eine Änderung der Form eines Ferroelektrikums dessen elektrische Eigenschaften beeinflussen und umgekehrt. Die Untersuchung dieses Gleichgewichts hilft Forschern zu verstehen, wie das Verhalten des Materials genauer gesteuert werden kann.

Darüber hinaus untersuchten die Forscher die Anpassung frustrierter Supergrenzen – Bereiche, in denen verschiedene Regionen mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften im Material aufeinandertreffen. Diese Grenzen können aufgrund widersprüchlicher Kräfte oder Einschränkungen nicht einfach ausgerichtet oder angepasst werden, um den Energieaufwand zu minimieren, und kommen daher in der Natur selten vor. Die bedarfsgesteuerte Schaffung neuer topologischer Polarisationsstrukturen ermöglicht es Forschern jedoch, diese frustrierten Supergrenzen zu stabilisieren und ihre einzigartigen Eigenschaften zu untersuchen.

Vorhersage und Kontrolle mit nanoskaliger Genauigkeit

Durch die Integration struktureller und funktioneller Daten über das ferroelektrische Material, die mit Techniken der korrelativen Mikroskopie gesammelt wurden, erstellten die Forscher detaillierte Phasenfeldmodelle, die vorhersagen, wie sich das Material unter verschiedenen Bedingungen verhalten wird. Diese Fähigkeit erleichtert das Verständnis und die Optimierung der Stabilität und Polarisation des Materials.

„Unser Projekt hat fortschrittliche Methoden entwickelt, um Materialien im Nanomaßstab präzise zu strukturieren“, sagte Checa.

„Durch die Kombination speziell entwickelter elektrischer Stiftspitzenbewegungen mit automatisierten Versuchsaufbauten haben wir die Fähigkeit demonstriert, neue und komplexe Zustände ferroelektrischer Materialien zu erforschen, die zuvor nicht zugänglich waren. Ein wesentlicher Aspekt dieser Leistung besteht darin, dass sie ein besseres Verständnis ermöglicht.“ und Kontrolle der einzigartigen Eigenschaften dieser Materialien.“