Trenutak kada se odlučuje sudbina memorijske tehnologije sljedeće generacije prvi je put uhvaćen uživo — a ključ je u sićušnim greškama na atomskoj razini.
Istraživači predvođeni profesorom Min Hyuk Parkom sa Sveučilišta u Seulu pratili su u stvarnom vremenu cijeli proces nastanka ferolektrične faze u hafnij-cirkonijevom oksidu (HZO), materijalu koji se smatra jednim od najperspektivnijih kandidata za memoriju nove generacije. Ono što su otkrili mijenja način na koji se gleda na takozvane kisikove vakancije — defekte koji nastaju kada atomi kisika nedostaju sa svojih uobičajenih položaja.
HZO ne posjeduje ferolektrična svojstva odmah po izradi. Faza odgovorna za pohranu podataka — ortorombska faza — metastabilno je kristalno stanje koje se može održati samo pod posebnim uvjetima obrade. Sve do sada istraživači su uglavnom uspoređivali strukturu materijala prije i poslije toplinske obrade, propuštajući ono što se događa u samom procesu. Ova je studija, objavljena u časopisu Advanced Functional Materials, po prvi puta kontinuirano pratila kristalizaciju koristeći sinkrotronsko zračenje u Pohang akceleratorskom laboratoriju.
Manje grešaka, niža temperatura
Rezultati su pokazali da veća koncentracija kisikovih vakancija odgađa kristalizaciju i potiskuje stvaranje ferolektrične faze. U filmovima s manje vakancija kristalizacija počinje na 30 Celzijevih stupnjeva nižoj temperaturi, a signal za pohranu podataka — preklopiva polarizacija — čak je 11 puta veći na istoj temperaturi od 400 stupnjeva.
Ta razlika nije samo akademskog značaja. Sposobnost stvaranja ferolektrične faze na nižim temperaturama ključna je za poluvodičku industriju, gdje toplinska oštećenja već izrađenih međuspojeva i komponenti moraju biti svedena na minimum. Niža temperatura obrade otvara vrata 3D-integriranim memorijama i ugrađenim nepostojanim memorijama koje će morati pouzdano čuvati podatke bez napajanja u pametnim telefonima, automobilima i Internetu stvari.
No postavlja se pitanje koje istraživači tek trebaju odgovoriti: ako su kisikove vakancije toliko presudne za kontrolu kristalizacije, kako će se njihova koncentracija kontrolirati u industrijskoj proizvodnji na razini cijele pločice? Laboratorijski uvjeti i masovna proizvodnja često se dramatično razlikuju, a upravo ta razlika u prošlosti je koštala industriju milijarde dolara u razvoju novih materijala.
Ovo istraživanje također baca novo svjetlo na ranije radove koji su kisikove vakancije tretirali isključivo kao nepoželjne defekte koje treba eliminirati. Umjesto toga, one se sada pokazuju kao precizan alat za inženjering materijala — pitanje je samo koliko je taj alat moguće fino podesiti u stvarnim proizvodnim uvjetima.
Da — ključna poruka ovog istraživanja je da kisikove vakancije nisu samo smetnja, nego mogu biti jedan od mehanizama koji određuju hoće li HZO uopće razviti željenu ferolektričnu fazu. U HZO-u je problem posebno zanimljiv jer isti materijal može poprimiti različite kristalne faze, a upravo je ortorombična ferolektrična faza poželjna za memorijske uređaje. Istraživači su, prema opisu, uspjeli izravno pratiti kako se ta faza formira i pritom povezati njezin nastanak s rasporedom vrlo malih defekata — kisikovih vakancija. To je važno za memoriju nove generacije jer bi razumijevanje tog procesa moglo omogućiti: precizniju kontrolu proizvodnje HZO memorijskih elemenata pouzdanije prebacivanje između memorijskih stanja bolju dugoročnu stabilnost podataka smanjenje varijacija između pojedinih memorijskih ćelija dizajn procesa izrade koji ciljano stvara odgovarajuću koncentraciju i raspored vakancija. Drugim riječima, nije dovoljno samo napraviti sloj HZO-a odgovarajućeg sastava. Mora se kontrolirati što se događa s kisikom na atomskoj razini tijekom formiranja kristalne strukture. Najzanimljiviji… Čitaj više »