ENGINEERINGNET.BE - Om computers efficiënter te maken is een snelle vorm van niet-vluchtig RAM-geheugen nodig. Ferro-elektrische materialen lijken hiervoor een goede kandidaat.
Ze bestaan uit eenheden met een magnetische dipool, die is te schakelen met een elektrisch veld. Maar de eigenschappen van dit materiaal verdwijnen wanneer eenheden kleiner worden dan 90 nanometer: dan ontstaat een spontane depolarisatie.
Er is echter een uitzondering: hafnium dioxide. Hafnium is zeer stabiel bij hoge temperaturen en andere extreme omstandigheden, en is daarom in gebruik bij toepassingen in de metallurgie en chemische technologie.
Het trok ook de aandacht van chipbouwers, omdat amorf hafnium dioxide een efficiënte isolator bleek te zijn voor de poort van transistors. Noheda: ‘Door silicium oxide te vervangen door hafnium oxide was het mogelijk die transistoren kleiner te maken.’
Noheda is wetenschappelijk directeur van het Groningen Cognitive Systems and Materials Center, onderdeel van de Rijksuniversiteit Groningen. Doel van dit centrum is om een neurmorfe computer te ontwikkelen.
Hafnium dioxide is een van de materialen die ze hiervoor bestuderen. ‘Het schakelen ervan verloopt niet alleen via magnetische dipolen. Ook de verschuiving van gaten in het kristalrooster waar zuurstof heeft gezeten, speelt een rol’, aldus Noheda.
Hafnium dioxide gedraagt zich als een ferro-elektrisch materiaal, maar behoudt wel zijn eigenschappen op een schaal van nanometers. Noheda: ‘Het fase-diagram laat zien dat het relatief grote oppervlak van dit soort deeltjes hafnium oxide hetzelfde effect heeft als een enorm hoge druk. Dat lijkt belangrijk voor de eigenschappen van het materiaal.’
‘Hafnium is echter niet de meest duurzame oplossing voor de productie van een nieuw type microchip, omdat de wereldwijde voorraden ervan beperkt zijn. Maar door materialen met vergelijkbare eigenschappen te zoeken, vinden we mogelijk een betere kandidaat.’ Dat zou wellicht zirkonium kunnen zijn.
Als zo’n duurzaam alternatief voor hafnium is gevonden, kan dat het gebruik van ferro-elektrisch materiaal voor RAM geheugen versnellen. ‘Aangezien de sterkte van de dipool afhangt van de geschiedenis van het elektrische veld waardoor die ontstaat, zou het materiaal ideaal zijn voor de constructie van memristors, die waarden kunnen hebben tussen de klassieke binaire waarden 0 en 1 van reguliere transistoren.’
Zulke analoog werkende schakelingen kunnen zich gedragen als de hersencellen in het menselijk brein. Het zijn daarmee kandidaten voor de bouw van neuromorfe computers. ‘We werken al aan de constructie van neuromorfe chips. Maar eerst moeten we de fysica snappen van hafnium dioxide en vergelijkbare materialen’, aldus Noheda.
Op de figuur boven: electronenmicroscopische opnamen: links een monster met veel zuurstof (oranje pijltjes), rechts een met veel zuurstof-vrije plekken (gele pijltjes). Inzet: illustratie van de condensator met elektroden.
