Słaba polaryzacja, wyraźny odczyt: złącze ferroelektryczne osiągnęło stosunek 19 mln do 1

W pamięci nieulotnej nie wystarczy zapisać dwóch stanów — trzeba je jeszcze bez trudu odróżnić podczas odczytu. Dwuwymiarowe ferroelektryki ślizgowe dobrze znoszą wielokrotne przełączanie, lecz ich słaba polaryzacja daje niewielki sygnał w złączu z dwoma wyprowadzeniami. Zespół z Instytutu Półprzewodników Chińskiej Akademii Nauk i Uniwersytetu Hongkońskiego rozwiązał ten problem, dobierając warstwy złącza Cr/h-BN/3R-MoS₂/jednowarstwowy grafen. Tę samą koncepcję rozszerzono na materiał 1T′-ReS₂. 810

Co wzmacnia sygnał?

W tej konstrukcji każda warstwa pełni inną funkcję. Sześciokątny azotek boru (h-BN) tworzy równomierną barierę tunelową i ogranicza prąd upływu. W 3R-MoS₂ minimalny wzajemny poślizg warstw odwraca polaryzację ferroelektryczną, zmieniając warunki, w jakich elektrony pokonują barierę. Jednowarstwowy grafen słabo ekranuje tę zmianę: polaryzacja wpływa na liczbę nośników biorących udział w przepływie prądu. Zmiana bariery i odpowiedź grafenu razem sprawiają, że dwa stany dają znacznie różniące się sygnały odczytu. 89

Istotne jest rozdzielenie zadań: materiał ślizgowy odpowiada za przełączanie, a osobna warstwa h-BN — za barierę tunelową. Dzięki temu można zwiększyć kontrast odczytu bez rezygnowania z wykazywanej przez polaryzację ślizgową odporności na wielokrotne przełączanie, która jest jej zaletą w porównaniu z konwencjonalnymi ferroelektrykami tlenkowymi. 89

Wyniki: od pojedynczego złącza do 64 komórek

Przy napięciu odczytu 0,5 V zgłoszony stosunek elektrooporowy tunelowania wyniósł 1,9 × 10⁷, czyli 19 mln do 1. Według relacji o badaniu to wynik o ponad cztery rzędy wielkości wyższy niż wcześniej raportowane dla ślizgowych ferroelektrycznych złączy tunelowych. Gęstość prądu w stanie przewodzącym sięgnęła 222 A/cm². Urządzenie niezawodnie przełączało się przy impulsach o długości zaledwie 13 ns, przy zgłoszonej energii 6,5 fJ na bit, i wytrzymało ponad 10¹¹ cykli przełączania. 10

Badacze wykonali również matrycę 8 × 8: wszystkie 64 komórki wykazały spójne przełączanie między dwoma stanami, które utrzymywały się bez zasilania. To argument za dalszymi pracami nad gęstą pamięcią nieulotną i układami wykonującymi obliczenia bezpośrednio w pamięci. Sama matryca demonstracyjna nie pokazuje jednak jeszcze, jak działałby znacznie większy układ wraz z niezbędnymi obwodami sterującymi. 1011