Przełomowe odkrycie dotyczące selenku indu może zrewolucjonizować technologię przechowywania pamięci, umożliwiając przejście od stanu krystalicznego do szkła przy minimalnym zużyciu energii.
Naukowcy odkryli, że transformacja ta może nastąpić w wyniku wstrząsów mechanicznych wywołanych ciągłym prądem elektrycznym, z pominięciem energochłonnego procesu topienia i hartowania. To nowe podejście zmniejsza zużycie energii miliard razy, potencjalnie umożliwiając bardziej wydajne urządzenia do przechowywania danych.
Rewolucyjne odkrycie w materiałach do przechowywania pamięci
W przełomowym badaniu opublikowanym 6 listopada br Naturabadacze ujawniają, że selenek indu, unikalny materiał, może „wstrząsnąć” sobą i przekształcić się z fazy krystalicznej w szklistą przy minimalnej mocy. Ten proces transformacji, niezbędny do przechowywania pamięci w urządzeniach takich jak płyty CD i komputerowa pamięć RAM, wymaga miliarda razy mniej energii niż konwencjonalna metoda hartowania w stopie, tradycyjnie stosowana do przekształcania kryształów w szkło.
W badaniu wziął udział wspólny zespół naukowców z Indyjskiego Instytutu Nauki (IISc), the Uniwersytet Pensylwanii Szkoła Inżynierii i Nauk Stosowanych (Penn Engineering) oraz Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Zrozumienie przejścia szkła w urządzeniach pamięci
Szklanki zachowują się jak ciała stałe, ale brakuje im typowego okresowego układu atomów. Podczas produkcji szkła kryształ jest upłynniany (topiony), a następnie nagle schładzany (hartowany), aby zapobiec nadmiernemu uporządkowaniu szkła. Ten proces hartowania w stanie stopionym jest również stosowany w przypadku dysków CD, DVD i Blu-ray – impulsy laserowe służą do bardzo szybkiego podgrzewania i hartowania materiału krystalicznego do fazy szklistej w celu zapisania danych; odwrócenie procesu może spowodować usunięcie danych. Komputery korzystają z podobnych materiałów, zwanych pamięciami RAM ze zmianą fazy, w których przechowywane są informacje na podstawie rodzaju rezystancji – wysokiej lub niskiej – oferowanej przez stan szklisty i krystaliczny.
Problem polega jednak na tym, że urządzenia te są bardzo energochłonne, zwłaszcza podczas procesu pisania. Kryształy należy podgrzać do temperatury przekraczającej 800oC i nagle się ochłodziło. Jeśli istnieje sposób na bezpośrednie przekształcenie kryształu w szkło bez pośredniej fazy ciekłej, moc wymaganą do przechowywania pamięci można znacznie zmniejszyć.
Odkrycie niskoenergetycznej amorfizacji selenku indu
W trakcie badań zespół odkrył, że gdy prąd elektryczny przepływał przez przewody wykonane z selenku indu, materiału ferroelektrycznego 2D, długie odcinki materiału nagle zamieniły się w szkło. „To było niezwykle niezwykłe” – mówi Gaurav Modi, były doktorant w Penn Engineering i jeden z pierwszych autorów. „Właściwie pomyślałem, że mogłem uszkodzić materiał. Normalnie potrzebne byłyby impulsy elektryczne, aby wywołać jakąkolwiek amorfizację, a tutaj ciągły prąd zakłócił strukturę krystaliczną, co nie powinno było mieć miejsca.
Modi i Ritesh Agarwal, Srinivasa Ramanujan Distinguished Scholar in Materials Science and Engineering (MSE) w Penn Engineering, współpracowali z Pavanem Nukalą, adiunktem w Centrum Nanonauki i Inżynierii (CeNSE), IISc i jego doktorantem Shubhamem Paratem, aby dokładnie śledzić ten proces – od skali długości atomowej do mikrometrowej – pod mikroskopem elektronowym.
„W ciągu ostatnich kilku lat opracowaliśmy w IISc zestaw narzędzi do mikroskopii in situ” – wyjaśnia Nukala. „Kiedy Ritesh opowiedział mi o tej niezwykłej obserwacji, zdecydowaliśmy, że nadszedł czas, aby przetestować te narzędzia”.
Przesuwające się warstwy i tworzenie domen: efekt trzęsienia ziemi
Zespół odkrył, że gdy ciągły prąd przepływa równolegle do warstw 2D materiału, warstwy te przesuwają się względem siebie w różnych kierunkach. Powoduje to powstawanie wielu domen – maleńkich kieszeni o określonym momencie dipolowym – połączonych wadliwymi regionami oddzielającymi domeny. Kiedy wiele defektów przecina się w małym obszarze nanoskopowym, jak na przykład zbyt wiele dziur w ścianie, integralność strukturalna kryształu zapada się, tworząc lokalnie szkło.
Te granice domen są jak płyty tektoniczne. Poruszają się wraz z polem elektrycznym, a kiedy zderzają się ze sobą, powstają wstrząsy mechaniczne (i elektryczne) podobne do trzęsienia ziemi. To trzęsienie ziemi wywołuje efekt lawinowy, powodując zakłócenia daleko od epicentrum, tworząc więcej granic domen i w rezultacie szkliste obszary, co z kolei powoduje więcej trzęsień ziemi. Lawina ustaje, gdy cały materiał zamienia się w szkło (amorfizacja dalekiego zasięgu).
„Przechodzi mnie ciarki, gdy widzę, jak wszystkie te czynniki ożywają i współdziałają w różnych skalach długości pod mikroskopem elektronowym” – mówi Parate, jeden z pierwszych autorów.
Nukala zwraca uwagę, że wiele unikalnych właściwości selenku indu – jego struktura 2D, ferroelektryczność i piezoelektryczność – łączy się, aby umożliwić tę ultraniskoenergetyczną ścieżkę amorfizacji pod wpływem wstrząsów. „Zamierzamy przenieść to na wyższy poziom, aby zintegrować te urządzenia z platformami CMOS” – dodaje.
Konsekwencje dla przyszłych urządzeń pamięci ze zmianą fazy
„Jednym z powodów, dla których urządzenia z pamięcią zmiennofazową (PCM) nie znalazły powszechnego zastosowania, jest zapotrzebowanie na energię” – mówi Agarwal. Taki postęp mógłby odblokować szerszą gamę aplikacji PCM, które mogłyby przekształcić przechowywanie danych w urządzeniach, od telefonów komórkowych po komputery.
Odniesienie: „Napędzana elektrycznie amorfizacja w stanie stałym dalekiego zasięgu w ferroiku In2Se3” Gaurav Modi, Shubham K. Parate, Choah Kwon, Andrew C. Meng, Utkarsh Khandelwal, Anudeep Tullibilli, James Horwath, Peter K. Davies, Eric A. Stach, Ju Li, Pavan Nukala i Ritesh Agarwal, 6 listopada 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08156-8
