De eigenschappen van hafniumdioxide (algemeen bekend als hafina) lijken op het eerste gezicht misschien onopvallend. Wanneer dit materiaal echter in ultradunne lagen wordt verwerkt, vertoont het fascinerende eigenschappen: door dipolen te schakelen onder invloed van een elektrisch veld kunnen zulke ultradunne lagen worden gebruikt als niet-vluchtig computergeheugen. Omdat de sterkte van deze dipolen wordt beïnvloed door de elektrische velden die ze in het verleden hebben ervaren, zijn ze bovendien bij uitstek geschikt voor memristors, die kunnen worden gebruikt om "hersenachtige" computerarchitecturen te bouwen.

Deze afbeelding toont een artistieke impressie van de atomaire structuur van Haffner. Bron afbeelding: herdrukt met toestemming van Springer-Nature

Beatriz Noheda, hoogleraar functionele nanomaterialen aan de Rijksuniversiteit Groningen, heeft dit materiaal bestudeerd en schreef onlangs een perspectiefartikel over de eigenschappen ervan voor het tijdschrift Nature-Materials. "Ook al begrijpen we niet alle natuurkunde, het wordt al in apparaten gebruikt", zegt ze.

Dit is hoogleraar Functionele Nanomaterialen aan de Rijksuniversiteit Groningen in Nederland en Cognitief Groningen Beatriz Noheda, wetenschappelijk directeur van het Centrum voor Systemen en Materialen. Zij is de hoofdauteur van een perspectiefartikel over hafniumoxide-ferro-elektrische materialen, gepubliceerd in Nature Materials. Bron: Rijksuniversiteit Groningen.

Om efficiëntere computers te creëren, lijkt snel niet-vluchtig RAM (random access memory) een goede kandidaat. Deze materialen zijn samengesteld uit cellen met dipolen die gezamenlijk schakelen onder invloed van een elektrisch veld. Als het aantal eenheden echter te klein is, gaan hun eigenschappen kapot; spontane depolarisatie vindt plaats onder ongeveer 90 nanometer. De uitzondering is de zuurstofvacature in

, die min of meer per ongeluk werd ontdekt, zegt Beatriz Noheda. Hafner is zeer stabiel bij hoge temperaturen en zware omstandigheden en wordt traditioneel gebruikt in de metallurgische en chemische industrie. Toen het amorfe Hafner echter een zeer efficiënte poortisolator in transistors bleek te zijn, trok het de aandacht van microchipfabrikanten. Het vervangen van traditioneel siliciumoxide door Hafner kan transistors kleiner maken. "

Noheda's interesse in dit materiaal komt voort uit haar werk bij het Centrum voor Cognitieve Systemen en Materialen in Groningen (CogniGron), waar zij wetenschappelijk directeur is. CogniGron's doel is om neuromorfe computerarchitecturen te creëren. Hafnia is een van de materialen die in het centrum worden bestudeerd." In een artikel dat in 2021 in Science werd gepubliceerd, beschrijven we hoe schakelen niet alleen via dipolen plaatsvindt. We ontdekten dat de beweging van zuurstofvacatures ook een rol speelt", zegt Noheda. Op basis van haar ervaring werd ze uitgenodigd om de lessen die ze van Hafnia had geleerd te bespreken in een perspectiefartikel in Nature Materials.

Hafner gedraagt ​​zich als een ferro-elektrisch materiaal, maar behoudt zijn eigenschappen alleen op nanometerschaal. "Ferro-elektrische systemen leken uit de race voor ultraklein, niet-vluchtig RAM-geheugen te zijn gevallen, maar met hafnia staan ​​ze nu aan de leiding." Niettemin lijkt Hafner zich niet precies te gedragen als een ferro-elektrisch materiaal, en zoals eerder vermeld lijkt de beweging van zuurstofvacatures cruciaal te zijn voor de eigenschappen ervan.

Noheda wees ook op een ander concept om te overwegen: de oppervlakte-energie van de nanodeeltjes. "Fasediagrammen laten zien dat het relatief grote oppervlak van deze deeltjes zorgt voor een extreem hoge druk in hafniumdioxide, wat een rol lijkt te spelen in de eigenschappen van het materiaal. Dit soort kennis is belangrijk bij het vinden van andere materialen die zich op dezelfde manier gedragen als hafnium. Omdat het mondiale aanbod te klein is, is hafnium geen producent van microchips. De meest duurzame optie in de productie. Door te zoeken naar materialen met vergelijkbare eigenschappen, kunnen we betere kandidaten vinden. "

Het vinden van duurzame alternatieven voor hafnium zou het gebruik van ferro-elektrische materialen in RAM-geheugen kunnen versnellen. Omdat de sterkte van een dipool afhangt van de geschiedenis van het elektrische veld dat hem heeft gecreëerd, zou het een ideaal materiaal zijn voor de productie van memristors. Dergelijke gesimuleerde apparaten gedragen zich op dezelfde manier als de neuronen in onze hersenen en zijn kandidaten voor neuromorfe computerarchitecturen. "We werken er hard aan om deze neuromorfe chip te ontwikkelen, maar eerst moeten we de fysieke eigenschappen van hafniumdioxide en soortgelijke materialen volledig begrijpen."