Ny tunnelkontakt gjør svak ferroelektrisk polarisering lett å lese

Et minne er lite nyttig hvis det er vanskelig å se hvilken tilstand som er lagret. Det har vært utfordringen for glidende ferroelektriske materialer: De kan tåle mange omskiftninger, men den svake elektriske polariseringen gir et beskjedent signal når tilstanden skal leses av i en komponent med to tilkoblinger. Forskere ved Det kinesiske vitenskapsakademiets halvlederinstitutt og Universitetet i Hongkong angrep problemet ved å styre grenseflatene mellom lagene i en tunnelkontakt. De bygde en struktur av krom, bornitrid, 3R-MoS₂ og ett lag grafen, og utvidet senere prinsippet til 1T′-ReS₂. 810

Slik blir en liten endring målbar

I 3R-MoS₂ kan en svært liten forskyvning mellom atomlagene snu polariseringen. Det endrer hvor lett elektroner passerer gjennom kontakten. Sekskantet bornitrid (h-BN) danner en forholdsvis jevn tunnelbarriere og begrenser lekkasjestrømmen. Grafenlaget fungerer som en elektrode der antallet tilgjengelige ladningsbærere er følsomt for polariseringen. Når polariseringen snur, påvirkes dermed både tunnelbarrieren og strømmen som kan gå gjennom grafenet. Samspillet gjør de to lagrede tilstandene langt lettere å skille elektrisk. Den samme utformingen ble også brukt med 1T′-ReS₂. 89

Poenget er å skille oppgavene: Det glidende materialet står for omskiftningen, mens h-BN gir en egen tunnelbarriere. Slik kunne forskerne få et sterkere avlesningssignal og samtidig beholde den rapporterte motstandsdyktigheten mot slitasje ved gjentatt omskiftning, sammenlignet med konvensjonelle oksidbaserte ferroelektriske materialer. 89

Hva forsøkene viste – og ikke viste

Ved en avlesningsspenning på 0,5 volt var det rapporterte forholdet mellom de to motstandstilstandene 1,9 × 10⁷, altså 19 millioner. Ifølge omtalen av forskningen er det mer enn fire størrelsesordener over tidligere rapporterte tunnelkontakter med glidende ferroelektriske materialer. Strømtettheten i på-tilstand nådde 222 A/cm². Komponenten kunne skifte tilstand pålitelig med pulser ned til 13 nanosekunder, med et rapportert energiforbruk ved omskiftning på 6,5 femtojoule per bit, og tålte over 10¹¹ omskiftninger. 10

Forskerne laget også en 8 × 8-matrise. Alle de 64 cellene viste konsekvent omskiftning mellom to tilstander som ble bevart uten strøm. Det gjør teknologien interessant for videre arbeid med varig minne og beregning i minnet, der data behandles nær stedet de lagres. En matrise på 64 celler viser derimot ikke alene hvordan en langt større brikke og kretsene rundt den vil fungere. 1011