Физикам впервые удалось непосредственно исследовать электрические свойства оксида гафния, считающегося перспективным материалом для создания нового вида флеш-памяти – «флешек».

Флеш-память, базирующаяся на использовании транзисторов для хранения информации, получила широкое распространение в последние десятилетия. На её основе создаются устройства энергонезависимой, то есть сохраняющей информацию при выключении компьютера памяти — твердотельные диски (SSD), различные карты памяти и USB-флеш-накопители, широко известные под разговорным названием «флешки». Их ёмкость постоянно растёт, и «флешки» уже фактически вытеснили из бытового использования лазерные компакт-диски. Однако такая флеш-память обладает серьёзным недостатком – ограниченным сроком службы. Обычная «флешка» выдерживает несколько тысяч циклов перезаписи, а самые дорогие SSD – несколько сот тысяч. После этого они начинают давать сбои, терять информацию, а то и вовсе отказываются работать.

Рис.1. Схема эксперимента по измерению электрического потенциала в слоях сегнетоэлектрического HfO2. Прототип ячейки памяти помещён в сверхвысоковакуумную камеру, где был подключён к аппаратуре, контролирующей её электрическое состояние и позволяющий перезаписывать сохраненную в ней информацию прямо во время облучения. После этого на структуру был направлен сфокусированный пучок рентгеновского излучения. Возбужденные этой волной фотоэлектроны были зафиксированы с помощью специального анализатора.

Рис. 2. Исследовательский центр по физике частиц DESY (Гамбург, ФРГ). Показана окружность длиной 2,3 км синхротрона PETRA III, самого большого яркого накопительного источника света в мире (фото DESY).

Поэтому во всём мире широко ведутся работы по разработке новых видов энергонезависимой памяти, обладающей большей долговечностью и скоростью работы. Одно из перспективных направлений исследований – использование  сегнетоэлектриков – материалов, способных поддерживать постоянную поляризацию, грубо говоря, собственное электрическое поле, которое может быть переориентировано приложением внешнего электрического поля. Это подобно постоянным магнитам и их перемагничиванию, за что данные материалы по аналогии с ферромагнетиками также называют ферроэлектриками. Данное свойство позволяет применять сегнетоэлектрики для хранения двоичной информации.

Одним из наиболее перспективных материалов для новых «флешек» считается оксид гафния (HfO₂), поскольку все другие известные сегнетоэлектрики по разным причинам не могут быть использованы в современной наноэлектронике. Как диэлектрик он давно используется при изготовлении транзисторов. Но около десяти  лет назад немецкие физики обнаружили, что при определённых условиях (легировании, температурной обработке и т.д.) очень тонкий слой оксида гафния можно «переключить» в необычную для него кристаллическую структуру (фазу), обладающую сегнетоэлектрическими свойствами.

Элементарная ячейка нового типа памяти представляет собой тончайший — менее 10 нанометров — слой сегнетоэлектрического оксида гафния, к которому с двух сторон примыкают управляющие электроды. Конструкция похожа на обычный электрический конденсатор, а потому часто называется сегнетоэлектрическим конденсатором.

Чтобы эффективно его использовать, необходимо добиться максимально возможной величины поляризации, а для этого — детально изучить физические свойства этого нанослоя. В первую очередь необходимо знать, как распределяется электрический потенциал внутри него при подаче напряжения на электроды. За десять лет, прошедших с момента открытия сегнетоэлектрической фазы HfO₂, никому из исследователей так и не удалось изучить это распределение потенциала непосредственно, они использовали в своей работе лишь различные математические модели.

А вот группе исследователей из лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ и их коллегам из Германии и США удалось создать уникальную методику измерения распределения электрического потенциала сегнетоэлектрического конденсатора. Об этом они рассказали в авторитетном научном журнале по физике твёрдого тела, наноструктурам и материаловедению «Nanoscale».

Авторы работы применили так называемую высокоэнергетическую рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию. В основе специальной методики, разработанной сотрудниками МФТИ, лежит явление фотоэффекта, при котором электромагнитное излучение «выбивает» из материала электроны. Измеряя энергию вылетающих из сегнетоэлектрика фотоэлектронов в сочетании с определенными схемами облучения структуры, удаётся получить картину электрического потенциала по всей толщине слоя с нанометровым разрешением.

Метод требовал применения рентгеновского излучения, которое можно получить только на специальных ускорителях-синхротронах. Проверку методики на изготовленных в МФТИ прототипах будущих ячеек «новой памяти» исследователи провели на синхротроне PETRA III в исследовательском центре по физике частиц DESY, расположенном в Гамбурге (ФРГ).

Исследователи ожидают, что созданные в МФТИ сегнетоэлектрические элементы памяти в будущем смогут работать на порядок быстрее нынешних флешек или твердотельных дисков и выдерживать 10¹⁰ циклов перезаписи, что в сто тысяч раз больше, чем допускают их лучшие современные образцы.

По материалам МФТИ.