Memória Ferroelétrica Alcança 10 Bilhões de Ciclos de Escrita — Salto para Armazenamento Ultra-Durável de Grau Espacial

O novo capacitor ferroelétrico construído em laboratório pode sobreviver a 10 bilhões de ciclos de reescrita. Diferente de pen drives existentes, dispositivos de memória ferroelétrica poderiam resistir à exposição a raios cósmicos e até operar no espaço sideral.

O Conceito de Memória Não Volátil Ferroelétrica

O conceito de dispositivos de memória não volátil utilizando folhas finas ferroelétricas com polarização espontânea comutável eletricamente tem enorme potencial devido ao consumo de energia muito baixo, alta velocidade de escrita e resistência teoricamente ilimitada.

Hoje, a indústria eletrônica busca novas tecnologias de memória não volátil para alcançar vidas úteis mais longas e velocidades de acesso mais rápidas que drives de estado sólido e flash existentes. Um dos candidatos promissores é a memória baseada em dióxido de háfnio. Ela usa um material dielétrico já conhecido pela indústria de microeletrônica.

Sob tratamento de temperatura específico e liga, algumas camadas finas de dióxido de háfnio podem formar cristais metaestáveis que exibem propriedades ferroelétricas. Isso significa que esses cristais podem "memorizar" a direção do campo elétrico aplicado a eles.

A estrutura desta nova célula de memória (filme de óxido de zircônio-háfnio) se assemelha a um capacitor elétrico comum. Tem aproximadamente 10 nanômetros de espessura, intercalado entre dois eletrodos.

A polarização remanescente dos capacitores ferroelétricos deve ser maximizada para que possam ser usados como células de memória. No entanto, para garantir isso, os pesquisadores precisam entender profundamente os processos que ocorrem no filme fino. Isso envolve medir o potencial elétrico distribuído pelo nanofilme.

Avanço no Caminho para Novos Tipos de Memória Não Volátil

Embora a fase ferroelétrica no óxido de háfnio tenha sido descoberta há uma década, cientistas não conseguiram medir diretamente sua distribuição de potencial na nanoescala até agora.

Agora, pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou desenvolveram uma técnica única para determinar a distribuição de potencial elétrico através de um capacitor ferroelétrico.

Referência: Nanoscale | DOI:10.1039/C9NR05904K | MIPT

Eles usaram espectroscopia de fotoemissão de raios-X duros para sondar o capacitor de memória. A técnica depende do modo de onda estacionária do feixe de raios-X monocromático forte. Ela mede o potencial eletrostático local examinando os deslocamentos de linha de nível de núcleo.

Os resultados mostram que o perfil de potencial elétrico através da camada de óxido de zircônio-háfnio é não-linear e altera com a comutação de polarização.

Um SSD convencional

Os pesquisadores combinaram dados de microscopia eletrônica de transmissão de varredura com modelagem teórica e explicaram o comportamento não-linear do potencial observado em termos de defeitos no óxido de zircônio-háfnio, em ambas as interfaces, e seu estado de carga modulado pela polarização ferroelétrica.

Em resumo, o estudo lança nova luz sobre as propriedades eletrônicas intrínsecas de capacitores ferroelétricos baseados em óxido de háfnio e por que são importantes para engenharia de dispositivos de memória.

Os pesquisadores afirmaram que o capacitor ferroelétrico construído em seu laboratório pode sobreviver a 10 bilhões de ciclos de reescrita, quase 100.000 vezes mais do que o flash atual pode suportar.

Diferente de dispositivos baseados em semicondutores, dispositivos de memória ferroelétrica não são afetados por radiação externa. Isso significa que eles poderiam resistir à exposição a raios cósmicos e até operar no espaço sideral.