A injeção de prótons transformará um ferroelétrico na base de um “cérebro” de silício

Um grupo de cientistas liderados por especialistas da Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah (KAUST) descobriu uma maneira de melhorar radicalmente os materiais ferroelétricos. A introdução forçada de prótons em filmes ferroelétricos aumentou muito a diversidade de fases de polarização no material. Com base nisso, é possível criar memória de computador de alta densidade e processadores neuromórficos.

Saturação de um ferroelétrico com prótons imaginado por um artista. Fonte da imagem: KAUST; Fei Xue

Para seus experimentos, os cientistas usaram o seleneto de índio, que, como todos os ferroelétricos, tem uma polarização natural e pode alterá-la sob a influência de um campo magnético. Esta característica torna tais materiais atraentes para o desenvolvimento de memórias de computador e interruptores (transistores). Mas também há limitações – as células dessa memória são muito grandes em termos de volume e área de material, o que torna essa memória menos densa.

Uma das limitações para aumentar a densidade de gravação de uma memória ferroelétrica é a limitação da formação das fases de polarização, bem como a complexidade de seu registro (leitura). Os cientistas da KAUST contornaram esse obstáculo protonando o seleneto de índio ou saturando-o com prótons.

Para o experimento, um filme de seleneto de índio foi colocado sobre uma camada de silício poroso. O silício, por sua vez, repousava sobre uma camada isolante de óxido de alumínio, e o alumínio era depositado sobre uma camada de platina, que fazia o papel de um dos eletrodos. Nesse esquema, o silício agia como um eletrólito, que entregava prótons ao filme de seleneto de índio após a tensão ser aplicada aos eletrodos. Dependendo da polaridade, os prótons migraram para o filme ferroelétrico ou foram removidos dele.

Os pesquisadores gradualmente introduziram e removeram prótons do filme ferroelétrico variando a voltagem aplicada. Como resultado, foram obtidas várias fases ferroelétricas com diferentes graus de protonação, o que é muito importante para a implementação de dispositivos de memória multinível com grande capacidade. Um aumento na voltagem positiva aumentou a protonação e um aumento na voltagem negativa reduziu significativamente seu nível.

Configuração experimental

Além disso, o nível de saturação ferroelétrica com prótons variou dependendo da proximidade da camada de filme ao silício. Atingiu seus valores máximos na camada inferior em contato com o silício e depois diminuiu gradativamente, atingindo seus valores mínimos na camada superior. A surpresa foi que a liberação da voltagem removeu todos os prótons do material e ele voltou ao seu estado original. Para dispositivos não voláteis, isso é um sinal de menos. Mas, em geral, a descoberta promete ser interessante – os cientistas conseguiram alterar os estados elétricos do material com uma tensão inferior a 0,4 V. Para eletrônicos de baixa potência, isso é extremamente importante.

«Pretendemos desenvolver chips de computação neuromórficos ferroelétricos que consumirão menos energia e trabalharão mais rápido”, disseram os cientistas em artigo publicado na revista Science Advances.