Die Entwicklung und Konstruktion von Geräten für die energieunabhängige Speicherung digitaler Daten wird seit vielen Jahrzehnten vorangetrieben. Vor etwas weniger als 20 Jahren wurde ein Durchbruch mit dem NAND-Speicher erzielt, obwohl seine Entwicklung bereits rund 20 Jahre zuvor begann. Heute, nach etwa einem halben Jahrhundert umfangreicher Forschung, Produktionsinitiativen und kontinuierlichen Verbesserungen von NAND, stößt dieser Speichertyp an die Grenzen seiner Entwicklungsmöglichkeiten. Es ist notwendig, die Grundlagen für den Übergang zu einem anderen Speichertyp mit besseren Energie-, Geschwindigkeits- und anderen Eigenschaften zu schaffen. Auf lange Sicht könnte ein solcher Speicher eine neue Art von ferroelektrischem Speicher werden.
Piezoelektrische Materialien (in der internationalen Literatur auch Ferroelektrika genannt) sind Dielektrika, die ein Gedächtnis für das angelegte elektrische Feld besitzen, bzw. sie zeichnen sich durch eine Restpolarisation der Ladungen aus. Die Gedächtnisfunktion von piezoelektrischen Materialien ist nicht neu. Die Herausforderung bestand darin, die Dimensionen der piezoelektrischen Zellen auf nanometerbereichs Niveau zu reduzieren.
Vor drei Jahren haben Wissenschaftler am MIPT eine Technologie zur Herstellung von Dünnfilm-Materialien für die piezoelektrische Speichertechnik auf der Basis von Hafniumoxid (HfO2) entwickelt. Dieses Material ist ebenfalls nicht einzigartig. Dieses Dielektrikum wurde über mehrere Jahrzehnte hinweg zur Herstellung von Transistoren mit Metallgittern in Prozessoren und anderer digitaler Logik verwendet. Auf Grundlage der am MIPT vorgeschlagenen Legierung von polykristallinen Filmen aus Hafnium- und Zirkoniumoxid mit einer Dicke von 2,5 nm konnten Übergänge mit piezoelektrischen Eigenschaften geschaffen werden.
Um die segnetoelektrischen Kondensatoren (wie sie am MFTI genannt werden) als Speichereinheiten nutzen zu können, ist es notwendig, eine maximale Polarisation zu erreichen. Dazu ist eine detaillierte Untersuchung der physikalischen Prozesse im Nanoschicht erforderlich. Insbesondere gilt es, ein Verständnis für die Verteilung des elektrischen Potentials innerhalb der Schicht bei Anlegen einer Spannung zu entwickeln. Bis vor kurzem konnten Wissenschaftler nur auf mathematische Modelle zurückgreifen, um das Phänomen zu beschreiben; erst seit kurzem gibt es eine Methode, die es ermöglicht, wörtlich in das Material während des Phänomens zu blicken.
Die vorgeschlagene Methode, die auf hochenergetischer Röntgen-Photoelektronenspektroskopie basiert, konnte nur an speziellen Anlagen (Synchrotronbeschleunigern) realisiert werden. Eine solche befindet sich in Hamburg (BRD). Alle Experimente mit den am MFTI hergestellten "segnetoelektrischen Kondensatoren" auf Basis von Hafniumoxid wurden in Deutschland durchgeführt. Ein Artikel über die durchgeführte Arbeit wurde veröffentlicht in .
Die in unserem Labor entwickelten ferroelectricen Kondensatoren, wenn sie für die industrielle Herstellung von energieunabhängigen Speichermodulen eingesetzt werden, können 10^10 Schreibzyklen garantieren – hunderttausendmal mehr, als es moderne USB-Sticks zulassen," sagt Andrei Zenkevich, einer der Autoren der Studie und Leiter des Labors für funktionale Materialien und Geräte für Nanoelektronik am MIPT. Damit wurde ein weiterer Schritt in Richtung dieser neuen Speichermöglichkeiten getan, auch wenn noch viele weitere Schritte bevorstehen.
Quelle: 3dnews.ru
