Науковці знайшли рішення для покращення тривалості експлуатації пієзоелектриків.

Вчені з Університету електронної науки та техніки Сіаню (Xidian University) у співпраці з колегами з Університету Гонконгу та Фуданського університету досягли значного прориву у вирішенні проблеми довговічності феелектричних матеріалів, зокрема тих, що мають структуру вюрциту. Це відкриття має ключове значення для розробки нового покоління енергонезалежних пам'ятей.

Проблема довговічності феелектриків

Феелектричні пам'яті базуються на властивостях матеріалів, які дозволяють зберігати дані шляхом зміни поляризації на атомному рівні. Серед перспективних кандидатів для розробки таких технологій виділяються матеріали, як нітрид алюмінію-скандію (AlScN) з вюрцитовою структурою. Вони мають високу ступінь впорядкованості та добре інтегруються з сучасними виробничими процесами в сфері чіпів. Проте, одним з основних недоліків цих матеріалів є їх обмежена довговічність: звичайні пристрої виходять з ладу після приблизно 100 мільйонів циклів перезапису.

Науковці раніше фіксували подібні явища, такі як зростання витоку струму та погіршення п'єзоелектричних характеристик. Однак, точне уявлення про те, як дефекти в структурі матеріалу переміщуються, змінюються і викликають руйнування пристрою під впливом циклічного електричного поля, досі залишалося неоднозначним.

Виявлення способів знищення

Команда професорів Хан Генцюань та Чжоу Цзюжень, використовуючи комплексні методи аналізу, такі як аналіз електричної провідності, електронна дифракційна мікроскопія, спектроскопія втрат енергії електронів, аналіз геометричних фазових деформацій та первинні обчислення, відстежила динамічну еволюцію дефектів на атомному рівні. Основна увага була зосереджена на так званих "вакансіях азоту" (nitrogen vacancies).

Дослідження виявило, що циклічне електричне поле постійно стимулює перерозподіл, локальну кластеризацію та далекобійну міграцію вакансій азоту. Цей процес призводить до двох основних шляхів руйнування:

* Створення шляхів витоку: Далекі міграційні процеси вакансій азоту сприятимуть формуванню шляхів витоку, які проникають через всю товщину тонкого шару, що в кінцевому підсумку призводить до явища "жорсткого пробою".

* Згасання сигналу: Локальні зміни в розташуванні вакансій азоту, разом із модифікацією кристалічної решітки, що виникає внаслідок поляризації, поступово ведуть до послаблення пам'яті сигналу.

Новий підхід: стабілізація топології вакансій азоту

Виходячи з виявленого механізму, група фахівців представила ідею "стабілізації вакансій азоту за топологічним принципом". Було створено двомірний підхід до управління дефектами, який поєднує в собі просторові та енергетичні методи.

* Просторовий контроль: Створення надрешітчастих структур з нітриду алюмінію-скандію / нітриду алюмінію (AlScN/AlN). Періодично вставлені шари нітриду алюмінію діють як бар'єр, що перешкоджає далекобійній міграції вакансій азоту вздовж товщини плівки.

* Енергетичний контроль: Застосування методів динамічного відновлення, які сприяють перерозподілу вже локалізованих скупчень вакансій азоту.

Синергетична дія цих двох методів забезпечує стабільність просторової конфігурації вакансій азоту навіть під тривалим електричним навантаженням.

Революційні результати

Тестування показало, що надрешітчасті структури, виготовлені за допомогою цієї схеми, демонструють довговічність, що перевищує 10 мільярдів циклів, при збереженні повної поляризації. Це приблизно в 100 разів більше, ніж попередні показники. Крім того, після 1 мільярда циклів втрата сигналу пам'яті контролювалася в межах 3%.

Професор Чжоу Цзюжень зазначив: "Раніше покращення терміну служби в основному ґрунтувалося на зміні складу матеріалів або налаштуванні технологічних параметрів. Сьогодні, завдяки чіткій мікроскопічній картині фізичних властивостей, ми здатні розробляти цілеспрямовані стратегії контролю. Ця ідея має перспективи для використання в інших аналогічних п'єзоелектричних матеріалах зі структурою вюрциту".

Результати проведеного дослідження були опубліковані 11 вересня в авторитетному міжнародному науковому журналі Science. Першим автором статті є аспірант Ван Жуйцін з Xidian University, а також одним з авторів є дослідник Чжу Фен з Науково-дослідного інституту Ханчжоу. Відповідальними авторами виступили професори Хан Генцюань і Чжоу Цзюжень. Крім того, у дослідженні брали участь Гонконзький університет і Фуданський університет.

(З матеріалів IT之家)