Washington [US], 1er novembre () : des recherches ont montré que les mémoires antiferroélectriques pourraient avoir une plus grande efficacité énergétique et des vitesses de lecture et d’écriture plus rapides que les mémoires conventionnelles, entre autres attributs attrayants.
Les antiferroélectriques sont une classe de matériaux qui ont été de plus en plus étudiés ces dernières années pour des applications potentielles dans les dispositifs de mémoire informatiques modernes. En outre, les mêmes composés pouvant présenter un comportement antiferroélectrique sont déjà intégrés dans les processus de fabrication de puces semi-conducteurs existants.
Maintenant, une équipe dirigée par des chercheurs de Georgia Tech a découvert un comportement familier de manière inattendue dans le matériau antiferroélectrique connu sous le nom de dioxyde de zirconium ou de zircone. Ils montrent que la microstructure du matériau étant de taille réduite, il se comporte de manière similaire à des matériaux beaucoup mieux compris appelés ferroélectriques. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Advanced Electronic Materials.
La miniaturisation des circuits a joué un rôle clé dans l’amélioration des performances de la mémoire au cours des cinquante dernières années. Connaître comment les propriétés d’un antiferroélectrique évoluent avec une taille réduite devrait permettre la conception de composants de mémoire plus efficaces.
Les chercheurs notent également que les résultats devraient avoir des implications dans de nombreux autres domaines en plus de la mémoire.
“Les antiferroélectriques ont une gamme de propriétés uniques comme une fiabilité élevée, une endurance à haute tension et de larges températures de fonctionnement qui les rendent utiles dans une multitude de dispositifs différents, y compris les condensateurs à haute densité d’énergie, les transducteurs et les circuits électro-optiques”, a déclaré Nazanin Bassiri-Gharb, coauteur de l’article et professeur à la Woodruff School of Mechanical Engineering et à la School of Materials Science and Engineering de Georgia Tech. “Mais les effets de mise à l’échelle de la taille étaient largement passés sous le radar pendant longtemps.” “Vous pouvez concevoir votre appareil et le rendre plus petit en sachant exactement comment le matériau va fonctionner”, a déclaré Asif Khan, co-auteur de l’article et assistant. professeur à la School of Electrical and Computer Engineering et à la School of Materials Science and Engineering de Georgia Tech. « De notre point de vue, cela ouvre vraiment un nouveau champ de recherche. » Des champs durables La caractéristique déterminante d’un matériau antiferroélectrique est la façon particulière dont il réagit à un champ électrique externe. Cette réponse combine les caractéristiques des matériaux non ferroélectriques et ferroélectriques, qui ont été beaucoup plus intensément étudiées en physique et en science des matériaux.
Pour les ferroélectriques, l’exposition à un champ électrique externe d’intensité suffisante rend le matériau fortement polarisé, ce qui est un état dans lequel le matériau présente son propre champ électrique interne. Même lorsque le champ électrique externe est supprimé, cette polarisation persiste, de la même manière qu’un clou en fer peut devenir magnétisé en permanence.
Le comportement d’un matériau ferroélectrique dépend également de sa taille. Au fur et à mesure qu’un échantillon de matériau est aminci, un champ électrique plus fort est nécessaire pour créer une polarisation permanente, conformément à une loi précise et prévisible appelée loi de Janovec-Kay-Dunn (JKD).
En revanche, l’application d’un champ électrique externe à un antiferroélectrique ne provoque pas la polarisation du matériau – dans un premier temps. Cependant, à mesure que l’intensité du champ externe augmente, un matériau antiferroélectrique finit par passer à une phase ferroélectrique, où la polarisation s’installe brusquement. Le champ électrique nécessaire pour faire passer l’antiferroélectrique à une phase ferroélectrique est appelé champ critique.
Échelle de taille Dans le nouveau travail, les chercheurs ont découvert que les antiferroélectriques à base de zircone obéissent également à quelque chose comme une loi JKD. Cependant, contrairement aux ferroélectriques, la microstructure du matériau joue un rôle clé. La force des échelles de champ critique dans le modèle JKD spécifiquement en ce qui concerne la taille des structures connues sous le nom de cristallites dans le matériau. Pour une taille de cristallite plus petite, il faut un champ critique plus fort pour basculer un matériau antiferroélectrique dans sa phase ferroélectrique, même si la finesse de l’échantillon reste la même.
“Il n’y avait pas eu de loi prédictive qui dicte comment la tension de commutation changera à mesure que l’on miniaturise ces dispositifs à oxyde antiferroélectrique”, a déclaré Khan. “Nous avons trouvé une nouvelle tournure sur une ancienne loi.” Auparavant, les antiferroélectriques minces étaient difficiles à produire dans des tailles comparables à celles des ferroélectriques, ont déclaré les chercheurs. Nujhat Tasneem, le doctorant à la tête de la recherche, a passé “jour et nuit” dans le laboratoire selon Khan pour traiter et produire des films d’oxyde de zirconium antiferroélectriques sans fuite d’une taille de quelques nanomètres. La prochaine étape, selon Khan, consiste pour les chercheurs à déterminer exactement comment contrôler la taille des cristallites, adaptant ainsi les propriétés du matériau à son utilisation dans les circuits.
Le chercheur a également collaboré avec des chercheurs de l’Université Charles en République tchèque et de l’Université Andres Bello au Chili pour la caractérisation par diffraction des rayons X et les calculs basés sur les premiers principes, respectivement.
“C’était vraiment un effort de collaboration, couvrant plusieurs continents”, a déclaré Tasneem.
Les résultats devraient également aborder des questions de physique fondamentale, selon Bassiri-Gharb. Ces dernières années, un mystère s’est posé dans l’étude des antiferroélectriques, la manière dont les structures cristallines microscopiques provoquent une polarisation macroscopique est remise en cause.
“Trouver deux types de matériaux très différents – ferroélectriques et antiferroélectriques avec des structures atomiques différentes – pour suivre des comportements et des lois similaires est particulièrement excitant”, a déclaré Bassiri-Gharb. “Cela ouvre des portes pour rechercher plus de similitudes et transférer plus de nos connaissances à travers les domaines.” ()
