Японські науковці з Інституту науки в Токіо розробили унікальну наноплівку на основі потрійного сплаву, яка містить рекордно високий вміст скандію разом із нітридом галію та нітридом алюмінію. Це відкриває нові можливості для створення малопотужних пристроїв зберігання інформації, що можуть значно знизити енергоспоживання сучасних гаджетів.
Про це розповідає ProIT
Інновації для пам’яті та зв’язку 6G
Розроблені наноплівки не лише підвищують ефективність зберігання даних, але й можуть використовуватися як фільтри для перешкод у мережах шостого покоління (6G) та в системах оптичних обчислень. Оскільки електроніка стає компактнішою, попит на технології, які забезпечують більшу щільність зберігання даних із мінімальними витратами енергії, зростає.
Для вирішення цього завдання дослідники впровадили енергонезалежні фероелектричні запам’ятовуючі пристрої, що здатні утримувати інформацію завдяки власній електричній поляризації, без постійного підключення до джерела живлення. Це дозволяє продовжити термін служби акумуляторів і підвищити складність обчислень у мобільних пристроях.
Технологія виготовлення та властивості нових матеріалів
Нітрид галію (GaN) і нітрид алюмінію (AlN), які широко застосовуються у виробництві світлодіодів, мають специфічну кристалічну структуру з природним зсувом позитивних і негативних зарядів, що створює поляризацію, контрольовану зовнішньою напругою. Додавання скандію до цих матеріалів дозволяє значно знизити робочу напругу та забезпечити функціонування при надзвичайно низькому енергоспоживанні. Проте збільшення вмісту скандію у сплаві було складним через обмеження стабільності базових матеріалів.
Під керівництвом професора Хіроші Фунакубо японська команда застосувала реактивне магнетронне розпилення — метод фізичного осадження з парової фази — для створення тонких плівок на підкладках із кремнію, вкритих платиною і титаном. Завдяки точному регулюванню параметрів розпилення вдалося синтезувати широкий спектр потрійних сплавів із різними пропорціями елементів.
Отримані наноплівки були детально досліджені методом рентгенівської дифракції для визначення кристалічної структури, а також за допомогою електронної мікроскопії для аналізу структури на мікрорівні. Додатково проведено електричні вимірювання, щоб оцінити сегнетоелектричні та діелектричні властивості матеріалів.
Такий підхід дозволив ученим побудувати фазову діаграму системи AlN-GaN-ScN, виявивши нову область для сегнетоелектрично активної кристалічної структури типу вюрциту при підвищеному вмісті скандію за наявності невеликої частки галію. В результаті спостерігалося суттєве зниження коерцитивного поля матеріалу — з 5,8 МВ/см до 1,8 МВ/см зі збільшенням співвідношення скандію, що суттєво полегшує перемикання поляризації.
«Ці властивості відкривають потенційні можливості застосування у високочастотних шумових фільтрах та оптичних обчислювальних системах із наднизьким енергоспоживанням, які необхідні для смартфонів 6G наступного покоління та оптичних обчислювальних пристроїв, що працюють із наднизьким енергоспоживанням», — пояснює Хіроші Фунакубо.
Зниження робочої напруги в пристроях пам’яті — одна з ключових переваг нових плівок, що допоможе зменшити витрати енергії в електроніці. Крім того, дослідження довело, що ці наноплівки мають чудові п’єзоелектричні та оптоелектричні характеристики, що розширює спектр їхнього практичного застосування. Результати роботи опубліковано в журналі APL Materials.