Японские ученые из Института науки в Токио разработали уникальную нанопленку на основе тройного сплава, которая содержит рекордно высокий уровень скандия вместе с нитридом галлия и нитридом алюминия. Это открывает новые возможности для создания маломощных устройств хранения информации, которые могут значительно снизить энергопотребление современных гаджетов.
Об этом сообщает ProIT
Инновации для памяти и связи 6G
Разработанные нанопленки не только повышают эффективность хранения данных, но и могут использоваться как фильтры для помех в сетях шестого поколения (6G) и в системах оптических вычислений. Поскольку электроника становится компактнее, спрос на технологии, которые обеспечивают большую плотность хранения данных с минимальными затратами энергии, растет.
Для решения этой задачи исследователи внедрили энергонезависимые ферроэлектрические запоминающие устройства, способные удерживать информацию благодаря собственной электрической поляризации, без постоянного подключения к источнику питания. Это позволяет продлить срок службы аккумуляторов и повысить сложность вычислений в мобильных устройствах.
Технология изготовления и свойства новых материалов
Нитрид галлия (GaN) и нитрид алюминия (AlN), которые широко применяются в производстве светодиодов, имеют специфическую кристаллическую структуру с естественным смещением положительных и отрицательных зарядов, что создает поляризацию, контролируемую внешним напряжением. Добавление скандия к этим материалам позволяет значительно снизить рабочее напряжение и обеспечить функционирование при чрезвычайно низком энергопотреблении. Однако увеличение содержания скандия в сплаве было сложным из-за ограничений стабильности базовых материалов.
Под руководством профессора Хироши Фунакубо японская команда применила реактивное магнетронное распыление — метод физического осаждения из паровой фазы — для создания тонких пленок на подложках из кремния, покрытых платиной и титаном. Благодаря точному регулированию параметров распыления удалось синтезировать широкий спектр тройных сплавов с различными пропорциями элементов.
Полученные нанопленки были детально исследованы методом рентгеновской дифракции для определения кристаллической структуры, а также с помощью электронной микроскопии для анализа структуры на микров уровне. Дополнительно проведены электрические измерения, чтобы оценить сегнетоэлектрические и диэлектрические свойства материалов.
Такой подход позволил ученым построить фазовую диаграмму системы AlN-GaN-ScN, выявив новую область для сегнетоэлектрически активной кристаллической структуры типа вюрцита при повышенном содержании скандия при наличии небольшой доли галлия. В результате наблюдалось существенное снижение коэрцитивного поля материала — с 5,8 МВ/см до 1,8 МВ/см с увеличением соотношения скандия, что значительно облегчает переключение поляризации.
«Эти свойства открывают потенциальные возможности применения в высокочастотных шумовых фильтрах и оптических вычислительных системах с сверхнизким энергопотреблением, которые необходимы для смартфонов 6G следующего поколения и оптических вычислительных устройств, работающих с сверхнизким энергопотреблением», — объясняет Хироши Фунакубо.
Снижение рабочего напряжения в устройствах памяти — одно из ключевых преимуществ новых пленок, что поможет уменьшить затраты энергии в электронике. Кроме того, исследования доказали, что эти нанопленки обладают отличными пьезоэлектрическими и оптоэлектрическими характеристиками, что расширяет спектр их практического применения. Результаты работы опубликованы в журнале APL Materials.