Lag på lag gør svag polarisering let at aflæse

Et hukommelsesmateriale er ikke til megen nytte, hvis det kan skifte tilstand igen og igen, men tilstandene er svære at skelne elektrisk. Det har været udfordringen for glidende ferroelektriske materialer: Deres polarisering kan vendes ved bittesmå forskydninger mellem atomlag, men polariseringen giver normalt et svagt udlæsningssignal i en komponent med to elektriske kontakter. Forskere fra det kinesiske videnskabsakademis institut for halvledere og University of Hong Kong har bygget en tunnelkontakt, der forstærker forskellen mellem tilstandene. Strukturen er Cr/h-BN/3R-MoS₂/enkeltlagsgrafen, og fremgangsmåden blev også anvendt med materialet 1T′-ReS₂. 810

Tre lag med hver sin opgave

I kontakten fungerer hexagonalt bornitrid (h-BN) som en forholdsvis ensartet barriere, der begrænser lækstrøm. Små forskydninger mellem lagene i 3R-MoS₂ vender den ferroelektriske polarisering og ændrer, hvor let elektroner kan tunnelere gennem kontakten. Enkeltlagsgrafen er en elektrode, hvor antallet af tilgængelige ladningsbærere er følsomt over for ændringen i polarisering. De to virkninger – en ændret tunnelbarriere og en ændret mængde ladningsbærere – gør den svage polarisering til en stor forskel i den strøm, der måles ved udlæsning. 89

Pointen er, at det glidende materiale står for omskiftningen, mens bornitrid leverer en særskilt tunnelbarriere. Dermed kan forskerne forbedre udlæsningen uden at opgive den rapporterede fordel ved glidende polarisering: Den tåler mange gentagne skift sammenlignet med konventionelle oxidbaserede ferroelektriske materialer. 89

Hvad målingerne viser – og ikke viser

Ved en udlæsningsspænding på 0,5 volt nåede det rapporterede forhold mellem kontaktens to modstandstilstande 1,9 × 10⁷, svarende til 19 millioner. Ifølge forskningsomtalen er det mere end fire størrelsesordener over tidligere rapporterede glidende ferroelektriske tunnelkontakter. Strømtætheden i den ledende tilstand nåede 222 A/cm². Kontakten kunne skifte pålideligt med pulser ned til 13 nanosekunder, med et oplyst energiforbrug på 6,5 femtojoule pr. bit, og holdt til mere end 10¹¹ omskiftninger. 10

Forskerne fremstillede også et 8 × 8-array, hvor alle 64 celler viste ensartet omskiftning mellem to tilstande, som blev bevaret uden strøm. Det peger på muligheder for ikke-flygtig hukommelse og kredsløb, der udfører beregninger dér, hvor data lagres. Et forsøg med 64 celler viser dog ikke i sig selv, hvordan et langt større array og dets tilhørende kredsløb vil fungere. 1011