Новый материал обеспечивает более прочную и устойчивую многоуровневую энергонезависимую память с фазовым переходом

Ученые добились прорыва в разработке энергонезависимой памяти с фазовым переходом — типа электронной памяти, которая может хранить данные даже при отключенном питании, — в материале, который никогда не обладал характеристиками, необходимыми для такой памяти.

До сих пор память фазовых переходов разрабатывалась в основном с использованием халькогенидов, которые представляют собой группу материалов, которые, как известно, проявляют обратимые электрические изменения при переходе из кристаллического в аморфное состояния.

Но что, если где-то есть материал еще лучше?

В исследовании, опубликованном в "Advanced Science" 3 сентября 2023 года, исследователи сообщают о термически обратимом изменении электрического сопротивления при комнатной температуре в слоистом никелате, потенциально обеспечивающем лучшую производительность и превосходную экологичность.

Слоистые никелаты представляют собой класс сложных оксидных материалов, состоящих из ионов никеля. Они обладают слоистой структурой, где плоскости атомов никеля и кислорода перемежаются слоями, содержащими другие элементы, часто щелочноземельные или редкоземельные. Их уникальное слоистое расположение привлекло интерес исследователей из-за интригующих свойств их электронов, имеющих потенциальное применение в таких областях, как сверхпроводимость и, в данном случае, электроника.

Особый слоистый никелат исследователей состоит из слоев атомов стронция, висмута и кислорода в структурном расположении "каменной соли", чередующихся со слоями молекул атомов стронция, никеля и кислорода в структуре перовскита. Перовскиты определяются специфической кристаллической структурой из двух положительно заряженных атомов и одного отрицательно заряженного и обладают рядом интригующих свойств, от сверхпроводимости до сегнетоэлектричества — спонтанной электрической поляризации, которую можно обратить вспять приложением электрического поля.

Эта последняя характеристика представляет особый интерес в отношении энергонезависимой памяти фазовых переходов, поскольку последняя зависит от способности материала переключаться между двумя состояниями электрического сопротивления обратимым образом.

"Мы хотели знать, может ли подобная обратимость быть достигнута термически", - сказал Хидеюки Кавасоко, соавтор исследования и специалист по материалам из Университета Тохоку в Японии.

Такая обратимость была продемонстрирована в различных халькогенидах — любых соединениях, образованных элементами из 16-й группы периодической таблицы (такими как сера, селен и теллур), но не в оксидах переходных металлов (соединениях кислорода и любых элементах, обнаруженных в средней части периодической таблицы, в частности, в группах с 3 по 12) — по крайней мере, до настоящего времени.

Это важно, потому что, хотя халькогениды уже доказали свою эффективность во многих приложениях с памятью фазовых переходов, оксиды переходных металлов часто проявляют лучшую термическую и химическую стабильность по сравнению с некоторыми халькогенидами. Это может привести к созданию устройств с более длительным сроком службы и способных работать в более сложных условиях.

Многие оксиды переходных металлов также встречаются чаще, чем халькогениды, что может снизить затраты и повысить экологичность. Оксиды переходных металлов уже широко используются в электронике, датчиках и смежных приложениях. Если их удастся адаптировать к новым функциям, таким как память с фазовым переходом, возможно, будет проще интегрировать их в существующие производственные процессы и устройства, что еще больше упростит цепочку поставок, что потенциально имеет дополнительные преимущества в области устойчивости.

Исследователи обнаружили, что их особый слоистый никелат демонстрирует термически реентерабельное изменение кристаллической фазы. Это относится к типу фазового перехода, который происходит, когда материал претерпевает обратимый переход между тремя кристаллическими фазами при нагревании и охлаждении.

"По сути, материал может многократно переключаться между тремя фазами при нагревании и охлаждении", - сказал Томотеру Фукумура, другой автор статьи.

Это в отличие от типичного фазового перехода, который является необратимым и происходит только один раз при нагревании или охлаждении материала. Термически реентерабельное изменение фазы, наблюдаемое в слоистом никелате в ходе исследования, является значительным, поскольку оно обеспечивает обратимое переключение электрического сопротивления, и, что особенно важно, при комнатной температуре, что позволяет разработать многоуровневую энергонезависимую память фазовых переходов с использованием этого типа материала и в повседневных приложениях.

Исследование также проливает свет на конкретные механизмы, участвующие в обратимом переключении электрического сопротивленияпри комнатной температуре, что может иметь важные последствия для любых устройств, которые полагаются на энергонезависимую память гораздо шире, чем в отношении конкретного материала этого исследования.