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Des chercheurs découvrent un comportement prévisible dans un matériau prometteur pour la mémoire informatique :

Au cours des dernières années, une classe de matériaux appelés antiferroélectriques a été de additionally en in addition étudiée pour ses apps potentielles dans les dispositifs de mémoire informatiques modernes. La recherche a montré que les mémoires antiferroélectriques pourraient avoir une moreover grande efficacité énergétique et des vitesses de lecture et d’écriture plus rapides que les mémoires conventionnelles, entre autres attributs attrayants. 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 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 Highly developed Digital Supplies.

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 furthermore de la mémoire.

“Les antiferroélectriques ont une gamme de propriétés uniques comme une fiabilité élevée, une endurance à haute stress 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 Faculty of Mechanical Engineering et à la School of Elements Science and Engineering de Ga Tech. “Mais les effets d’échelle de taille étaient largement passés sous le radar pendant longtemps.”

“Vous pouvez concevoir votre appareil et le rendre furthermore petit en sachant exactement remark le matériau va fonctionner”, a déclaré Asif Khan, co-auteur de l’article et professeur adjoint à la School of Electrical and Laptop or computer Engineering et à la School of Elements Science and Engineering de Géorgie. Technologie. « De notre issue de vue, cela ouvre vraiment un nouveau champ de recherche.

Des champs durables

La caractéristique déterminante d’un matériau antiferroélectrique est la manière particulière dont il répond à un champ électrique externe. Cette réponse incorporate les caractéristiques des matériaux non ferroélectriques et ferroélectriques, qui ont été beaucoup moreover 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 as well as 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 – au début. Cependant, à mesure que l’intensité du champ externe augmente, un matériau antiferroélectrique passe finalement à une phase ferroélectrique, où la polarisation s’installe brusquement. Le champ électrique nécessaire pour passer de l’antiferroélectrique à une section ferroélectrique est appelé champ critique.

Mise à l’échelle de la taille

Dans le nouveau travail, les chercheurs ont découvert que les antiferroélectriques de zircone obéissaient également à quelque selected comme une loi JKD. Cependant, contrairement aux ferroélectriques, la microstructure du matériau joue un rôle clé. La pressure 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 additionally fort pour basculer un matériau antiferroélectrique dans sa section ferroélectrique, même si la finesse de l’échantillon reste la même.

“Il n’y avait pas eu de loi prédictive qui dicte remark la rigidity 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 movies 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 remark 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 energy 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 buildings cristallines microscopiques provoquent une polarisation macroscopique est remise en induce.

“Trouver deux forms 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 as well as de similitudes et transférer as well as de nos connaissances à travers les domaines.”

Le travail a été soutenu par la Countrywide Science Foundation, la Semiconductor Research Company, la Defense Risk Reduction Company, le Fonds européen de développement régional et ANID FONDECYT au Chili. Ce travail a été réalisé en partie au Ga Tech Institute for Electronics and Nanotechnology, membre de la Countrywide Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI), qui est soutenu par la National Science Basis.