Protones listos para alimentar la memoria de próxima generación

Un enfoque mediado por protones que produce múltiples transiciones de fase en materiales ferroeléctricos podría ayudar a desarrollar dispositivos de memoria de alto rendimiento, como chips de computadora neuromórficos o inspirados en el cerebro, según descubrió un equipo internacional dirigido por KAUST.^[1].

Los ferroeléctricos, como el seleniuro de indio, son materiales inherentemente polarizados que cambian de polaridad cuando se colocan en un campo eléctrico, lo que los hace atractivos para crear tecnologías de memoria. Además de requerir bajos voltajes de operación, los dispositivos de memoria resultantes exhiben excelentes resistencias máximas de lectura/escritura y velocidades de escritura, pero baja capacidad de almacenamiento. Esto se debe a que los métodos existentes solo pueden activar unas pocas fases ferroeléctricas, y capturar esas fases es un desafío experimental, dice Xin He, quien codirigió el estudio con Fei Xue y Xixiang Zhang.

Sin embargo, el método ideado por el equipo se basa en la protonación del seleniuro de indio para generar multitud de fases ferroeléctricas. Los investigadores incorporaron el material ferroeléctrico en un transistor hecho de una heteroestructura apilada con soporte de silicio para su evaluación.

Depositaron una película multicapa de seleniuro de indio sobre la heteroestructura, que incluía una lámina aislante de óxido de aluminio intercalada entre una capa de platino en la parte inferior y sílice porosa en la parte superior. Mientras que la capa de platino sirvió como electrodos para el voltaje aplicado, la sílice porosa actuó como electrolito y suministró protones a la película ferroeléctrica.

Los investigadores inyectaron o eliminaron gradualmente protones de la película ferroeléctrica cambiando el voltaje aplicado. Esto produjo de forma reversible múltiples fases ferroeléctricas con diferentes grados de protonación, lo cual es crucial para la implementación de dispositivos de memoria multinivel con gran capacidad de almacenamiento.

Los voltajes aplicados positivos más altos estimularon la protonación, mientras que los voltajes negativos de amplitudes más altas agotaron los niveles de protonación en mayor medida.

Los niveles de protonación también variaron según la proximidad de la capa de película a la sílice. Alcanzaron valores máximos en la capa inferior, que estaba en contacto con la sílice, y disminuyeron por etapas hasta alcanzar cantidades mínimas en la capa superior.

Inesperadamente, las fases ferroeléctricas inducidas por protones volvieron a su estado original cuando se apagó el voltaje aplicado. «Observamos este fenómeno inusual porque los protones se difundieron fuera del material y dentro de la sílice», dice Xue.

Al fabricar una película con una interfaz suave y continua con sílice, el equipo logró un dispositivo de inyección de protones de alta eficiencia que funciona por debajo de 0,4 voltios, lo cual es esencial para desarrollar dispositivos de memoria de bajo consumo. «Nuestro mayor desafío fue reducir el voltaje operativo, pero nos dimos cuenta de que la eficiencia de la inyección de protones en la interfaz gobernaba los voltajes operativos y podía ajustarse en consecuencia», dice Xue.

«Estamos comprometidos con el desarrollo de chips de computadora neuromórficos ferroeléctricos que consumen menos energía y funcionan más rápido», dijo Xue.