Une approche basée sur les protons qui permet de multiples transitions de phase ferroélectriques ouvre la voie à des puces informatiques à très faible consommation et haute capacité.

Une approche médiée par les protons qui produit des transitions de phase multiples dans les matériaux ferroélectriques pourrait aider à développer des dispositifs de mémoire haute performance, tels que des puces informatiques inspirées du cerveau ou neuromorphiques, a découvert une équipe internationale dirigée par KAUST. L'article est publié dans la revue Science Advances .

Les ferroélectriques, tels que le séléniure d'indium, sont des matériaux intrinsèquement polarisés qui changent de polarité lorsqu'ils sont placés dans un champ électrique, ce qui les rend attrayants pour la création de technologies de mémoire. En plus de nécessiter de faibles tensions de fonctionnement, les dispositifs de mémoire résultants affichent d'excellentes vitesses d'écriture et d'endurance maximales en lecture/écriture, mais leur capacité de stockage est faible. En effet, les méthodes existantes ne peuvent déclencher que quelques phases ferroélectriques, et la capture de ces phases est un défi expérimental, explique Xin He, qui a codirigé l'étude sous la direction de Fei Xue et Xixiang Zhang.

Désormais, la méthode imaginée par l’équipe s’appuie sur la protonation du séléniure d’indium pour générer une multitude de phases ferroélectriques. Les chercheurs ont incorporé le matériau ferroélectrique dans un transistor constitué d'une hétérostructure empilée supportée par du silicium pour évaluation.

Ils ont déposé un film multicouche de séléniure d'indium sur l'hétérostructure, composé d'une feuille isolante d'oxyde d'aluminium prise en sandwich entre une couche de platine en bas et de silice poreuse en haut. Alors que la couche de platine servait d'électrodes pour la tension appliquée, la silice poreuse agissait comme un électrolyte et fournissait des protons au film ferroélectrique.

Les chercheurs ont progressivement injecté ou retiré des protons du film ferroélectrique en modifiant la tension appliquée. Cela a produit de manière réversible plusieurs phases ferroélectriques avec différents degrés de protonation, ce qui est crucial pour la mise en œuvre de dispositifs de mémoire multiniveaux dotés d'une capacité de stockage substantielle.

Des tensions appliquées positives plus élevées amplifiaient la protonation, tandis que des tensions négatives d'amplitudes plus élevées appauvrissaient davantage les niveaux de protonation.

Les niveaux de protonation variaient également en fonction de la proximité de la couche de film avec la silice. Ils ont atteint des valeurs maximales dans la couche inférieure, qui était en contact avec la silice, et ont diminué par étapes pour atteindre des quantités minimales dans la couche supérieure.

De manière inattendue, les phases ferroélectriques induites par les protons sont revenues à leur état initial lorsque la tension appliquée a été coupée. "Nous avons observé ce phénomène inhabituel car les protons se sont diffusés hors du matériau et dans la silice", explique Xue.

En fabriquant un film présentant une interface fluide et continue avec la silice, l’équipe a obtenu un dispositif à haute efficacité d’injection de protons fonctionnant en dessous de 0,4 volt, ce qui est essentiel pour développer des dispositifs de mémoire à faible consommation. "Notre plus grand défi était de réduire la tension de fonctionnement, mais nous avons réalisé que l'efficacité de l'injection de protons sur l'interface régissait les tensions de fonctionnement et pouvait être ajustée en conséquence", explique Xue.

"Nous nous engageons à développer des puces informatiques neuromorphiques ferroélectriques qui consomment moins d'énergie et fonctionnent plus rapidement", déclare Xue.

Plus d'informations : Xin He et al, Commutation réversible médiée par les protons de phases ferroélectriques métastables avec de faibles tensions de fonctionnement, Science Advances (2023). DOI :10.1126/sciadv.adg4561

Informations sur le journal : Progrès scientifiques

Fourni par l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah