Как скользящий сегнетоэлектрик дал разницу при считывании в 19 миллионов раз

У скользящих сегнетоэлектриков есть привлекательное свойство для памяти: их поляризацию можно многократно переключать за счёт небольшого взаимного смещения атомных слоёв. Но поляризация у них слаба, поэтому в компактном устройстве с двумя выводами бывает трудно надёжно различить записанные состояния при считывании. Исследователи из Института полупроводников Китайской академии наук и Гонконгского университета предложили усиливать не саму поляризацию, а её влияние на ток. Они собрали туннельный переход Cr/h-BN/3R-MoS₂/однослойный графен и распространили тот же подход на систему с 1T′-ReS₂. 810

Почему слабая поляризация стала хорошо различима

В этой многослойной конструкции материалы выполняют разные задачи. Шестиугольный нитрид бора (h-BN) создаёт сравнительно однородный барьер, через который электроны проходят благодаря туннельному эффекту, и ограничивает ток утечки. В 3R-MoS₂ небольшой сдвиг слоёв меняет направление поляризации, а вместе с ним — условия прохождения электронов через барьер. Однослойный графен служит электродом, в котором поляризация заметно меняет число носителей заряда, участвующих в переносе тока. Сочетание этих эффектов превращает слабое изменение поляризации в большой контраст между двумя состояниями при считывании. Аналогичную схему исследователи применили и к 1T′-ReS₂. 89

Важно, что слой, который переключает поляризацию, здесь не обязан одновременно быть единственным туннельным барьером. Такое разделение функций позволило добиться отчётливого электрического сигнала, сохранив преимущество скользящей поляризации — её устойчивость к многократным переключениям по сравнению с традиционными оксидными сегнетоэлектриками. 89

Что показали измерения

При напряжении считывания 0,5 В отношение туннельных сопротивлений двух состояний составило 1,9 × 10⁷, то есть примерно 19 миллионов. По данным публикаций об исследовании, это более чем на четыре порядка выше результатов, ранее сообщавшихся для скользящих сегнетоэлектрических туннельных переходов. Плотность тока в проводящем состоянии достигла 222 А/см². Устройство надёжно переключалось импульсами длительностью 13 нс; заявленная энергия переключения — 6,5 фДж на бит, стойкость — более 10¹¹ циклов. 10

Исследователи также изготовили массив 8 × 8 ячеек. Все 64 ячейки показали согласованное переключение между двумя устойчивыми состояниями с сохранением записанного состояния без постоянного питания. Это аргумент в пользу дальнейшей разработки энергонезависимой памяти и устройств, которые выполняют вычисления непосредственно в массиве памяти. Однако испытание 64 ячеек пока не показывает, как поведёт себя гораздо более крупный массив вместе с необходимыми управляющими схемами. 1011