Учёные разработали новый тип энергонезависимой памяти с изменением фазового состояния

До сих пор компьютерная память с изменением фазового состояния в основном разрабатывалась с использованием халькогенидов — группы материалов, которые демонстрируют обратимые электрические изменения при переходе между кристаллическим и аморфным состояниями. В недавно опубликованном исследовании сообщается о термически обратимом переключении удельного электрического сопротивления при комнатной температуре в слоистом никелате, что потенциально обеспечивает лучшую производительность и превосходную устойчивость для памяти.

Исследование было опубликовано японскими учёными из университета Тохоку в журнале Advanced Science 3 сентября 2023 года. Слоистые никелаты представляют собой класс сложных оксидных материалов, состоящих из ионов никеля. Они имеют структуру, в которой слои атомов никеля и кислорода перемежаются слоями, содержащими другие элементы, часто щелочноземельные или редкоземельные элементы. Их уникальное строение привлекло интерес исследователей из-за свойств электронов, которые могут найти применение в таких областях, как сверхпроводимость и микроэлектроника.

Слоистый никелат, полученный исследователями, состоит из слоёв атомов стронция, висмута и кислорода, структурно расположенных в виде кубической решётки, перемежаемых слоями молекул стронция, никеля и атомов кислорода в перовскитной структуре. Перовскиты характеризуются специфической кристаллической структурой, состоящей из двух положительно заряженных атомов и одного отрицательно заряженного, и обладают рядом интересных свойств, от сверхпроводимости до сегнетоэлектричества — спонтанной электрической поляризации, которую можно обратить вспять путём приложения электрического поля.

Эффект сегнетоэлектричества представляется очень перспективным при разработке энергонезависимой памяти с изменением фазового состояния, поскольку принцип действия такой памяти основан на способности материала обратимо переключаться между двумя состояниями удельного электрического сопротивления.

Ранее учёным были известны подобные свойства у халькогенидов — бинарных химических соединений халькогенов (элементов 16-й группы таблицы Менделеева, к которым относятся кислород, сера, селен, теллур, полоний и ливерморий) с металлами. У оксидов переходных металлов таблицы Менделеева, к которым относятся железо, медь, цинк, серебро, золото, платина, молибден, кобальт и другие, эффект сегнетоэлектричества ранее не изучался.

Хотя халькогениды уже доказали свою эффективность во многих приложениях памяти с фазовым переходом, оксиды переходных металлов часто демонстрируют лучшую термическую и химическую стабильность. Многие оксиды переходных металлов более распространены, чем халькогениды и широко используются при производстве электроники.

Оксиды переходных металлов достаточно просто интегрировать в существующие производственные процессы и устройства, чтобы упростить цепочку поставок и получить дополнительные преимущества в области устойчивого развития. Также их использование может помочь в создании устройств для работы в сложных условиях с более длительным сроком службы.

Исследователи обнаружили, что полученный ими слоистый никелат демонстрирует термическое возвратное кристаллическое фазовое изменение, то есть этот материал претерпевает обратимый переход между тремя кристаллическими фазами при нагревании и охлаждении. «По сути, материал может переключаться между тремя фазами несколько раз при нагревании и охлаждении», — отметил один из исследователей.

В этом состоит отличие от типичного необратимого фазового перехода, который происходит только один раз при нагревании или охлаждении материала. Термически возвратный фазовый переход, наблюдаемый в слоистом никелате, обеспечивает обратимое переключение удельного электрического сопротивления при комнатной температуре, что позволяет разработать многоуровневую энергонезависимую память с изменением фазового состояния для повседневного применения.

Исследование также пролило свет на процесс обратимого фазового перехода и изменения удельного электрического сопротивления при комнатной температуре, что может иметь важные последствия для разработки энергонезависимой памяти, без привязки к конкретному применяемому материалу.