Физикам впервые удалось непосредственно исследовать электрические свойства оксида гафния, считающегося перспективным материалом для создания нового вида флеш-памяти – «флешек».
Флеш-память, базирующаяся на использовании транзисторов для хранения информации, получила широкое распространение в последние десятилетия. На её основе создаются устройства энергонезависимой, то есть сохраняющей информацию при выключении компьютера памяти — твердотельные диски (SSD), различные карты памяти и USB-флеш-накопители, широко известные под разговорным названием «флешки». Их ёмкость постоянно растёт, и «флешки» уже фактически вытеснили из бытового использования лазерные компакт-диски. Однако такая флеш-память обладает серьёзным недостатком – ограниченным сроком службы. Обычная «флешка» выдерживает несколько тысяч циклов перезаписи, а самые дорогие SSD – несколько сот тысяч. После этого они начинают давать сбои, терять информацию, а то и вовсе отказываются работать.
Рис.1. Схема эксперимента по измерению электрического потенциала в слоях сегнетоэлектрического HfO2. Прототип ячейки памяти помещён в сверхвысоковакуумную камеру, где был подключён к аппаратуре, контролирующей её электрическое состояние и позволяющий перезаписывать сохраненную в ней информацию прямо во время облучения. После этого на структуру был направлен сфокусированный пучок рентгеновского излучения. Возбужденные этой волной фотоэлектроны были зафиксированы с помощью специального анализатора.
Рис. 2. Исследовательский центр по физике частиц DESY (Гамбург, ФРГ). Показана окружность длиной 2,3 км синхротрона PETRA III, самого большого яркого накопительного источника света в мире (фото DESY).
Открыть в полном размере
Поэтому во всём мире широко ведутся работы по разработке новых видов энергонезависимой памяти, обладающей большей долговечностью и скоростью работы. Одно из перспективных направлений исследований – использование сегнетоэлектриков – материалов, способных поддерживать постоянную поляризацию, грубо говоря, собственное электрическое поле, которое может быть переориентировано приложением внешнего электрического поля. Это подобно постоянным магнитам и их перемагничиванию, за что данные материалы по аналогии с ферромагнетиками также называют ферроэлектриками. Данное свойство позволяет применять сегнетоэлектрики для хранения двоичной информации.
Одним из наиболее перспективных материалов для новых «флешек» считается оксид гафния (HfO2), поскольку все другие известные сегнетоэлектрики по разным причинам не могут быть использованы в современной наноэлектронике. Как диэлектрик он давно используется при изготовлении транзисторов. Но около десяти лет назад немецкие физики обнаружили, что при определённых условиях (легировании, температурной обработке и т.д.) очень тонкий слой оксида гафния можно «переключить» в необычную для него кристаллическую структуру (фазу), обладающую сегнетоэлектрическими свойствами.
Элементарная ячейка нового типа памяти представляет собой тончайший — менее 10 нанометров — слой сегнетоэлектрического оксида гафния, к которому с двух сторон примыкают управляющие электроды. Конструкция похожа на обычный электрический конденсатор, а потому часто называется сегнетоэлектрическим конденсатором.
Чтобы эффективно его использовать, необходимо добиться максимально возможной величины поляризации, а для этого — детально изучить физические свойства этого нанослоя. В первую очередь необходимо знать, как распределяется электрический потенциал внутри него при подаче напряжения на электроды. За десять лет, прошедших с момента открытия сегнетоэлектрической фазы HfO2, никому из исследователей так и не удалось изучить это распределение потенциала непосредственно, они использовали в своей работе лишь различные математические модели.
А вот группе исследователей из лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ и их коллегам из Германии и США удалось создать уникальную методику измерения распределения электрического потенциала сегнетоэлектрического конденсатора. Об этом они рассказали в авторитетном научном журнале по физике твёрдого тела, наноструктурам и материаловедению «Nanoscale».
Авторы работы применили так называемую высокоэнергетическую рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию. В основе специальной методики, разработанной сотрудниками МФТИ, лежит явление фотоэффекта, при котором электромагнитное излучение «выбивает» из материала электроны. Измеряя энергию вылетающих из сегнетоэлектрика фотоэлектронов в сочетании с определенными схемами облучения структуры, удаётся получить картину электрического потенциала по всей толщине слоя с нанометровым разрешением.
Метод требовал применения рентгеновского излучения, которое можно получить только на специальных ускорителях-синхротронах. Проверку методики на изготовленных в МФТИ прототипах будущих ячеек «новой памяти» исследователи провели на синхротроне PETRA III в исследовательском центре по физике частиц DESY, расположенном в Гамбурге (ФРГ).
Исследователи ожидают, что созданные в МФТИ сегнетоэлектрические элементы памяти в будущем смогут работать на порядок быстрее нынешних флешек или твердотельных дисков и выдерживать 1010 циклов перезаписи, что в сто тысяч раз больше, чем допускают их лучшие современные образцы.