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Nuovi materiali per le memorie Francesco Ferrari U n gruppo di ricercatori dello Zernike Institute for Advanced Materials dell’ Università di Groningen ha dimostrato le proprietà ferroelettriche di minuscoli cristalli di ossido di afnio. La ricerca è particolarmente interessante perché questa proprietà può essere sfruttata per realizzare memorie per i sistemi di elaborazione di gran lunga migliori, dal punto di vista della potenza necessaria, rispetto alle memorie basate sui campi magnetici (quelle degli hard disk) attualmente in uso. I film sottili a base di biossido di afnio sono infatti ottimi candidati per la realizzazione su scala nanometrica di dispositivi di memoria di nuova generazione. In sostanza la ricerca ha dimostrato che l’ossido di afnio diventa ferroelettrico su scala nanometrica, aprendo la strada a nuove tecnologie. Per ottenere queste capacità, sottoli- neano i ricercatori, occorre però migliorare la qualità dei cristalli dei film sottili La ricerca Lo studio effettuato dai ricercatori, pubblicato su Nature Materials il 22 ottobre 2018 e intitolato A rhombohedral ferroelectric phase in epitaxially strained Hf0.5Zr0.5O2 thin films dimostra la ferroelettricità nei cristalli di ossi- do di afnio in specifiche condizioni. I materiali ferroelettrici hanno un momento di dipolo spontaneo e questo consente di usarli per memorizzare delle informazioni, come accade per i supporti magneti- ci usati negli hard disk. Una differenza sostanziale però è che i dischi rigidi usano bit la cui lettura e scrittura è basata su campi magnetici e queste operazioni (soprat- tutto la scrittura che richiede correnti relativamente ele- vate per avere la commutazione dello stato) assorbono molta energia. I bit realizzati con materiali ferroelettrici, invece, posso- no essere scritti usando molta meno energia, riducendo sensibilmente i consumi. Anche i materiali ferroelettrici però non sono perfet- ti, dato che i dipoli allineati sono stabili solo se sono in gruppi abbastanza grandi, mentre, se le dimensioni dei cristalli si riducono, il momento dipolare può anche scomparire. In realtà il fenomeno che porta alle caratte- ristiche ferroelettriche dell’ossido di afnio è noto già da alcuni anni, ma le ricerche relative, effettuate da altri laboratori, sono state accolte da un certo scetticismo visto che alcune fasi del processo non sono state compre- se a fondo. Il team di ricercatori dell’Università di Groningen usando tecniche come la microscopia elettronica e i raggi X, è però giunto a conclusioni simili (l’ossido di afnio diventa ferroelettrico su scala nanometrica, ma la struttura cristallina e relative proprietà cambiano quando gli strati superano i dieci nanometri) pur seguendo una strada diversa che ha permesso di arrivare a un modello convincente per la formazione della proprietà fer- roelettriche di questi film sottili. Come indicato dai ricercatori, la caratterizzazione strutturale rivela infatti una fase romboedrica, diversa dalla fase ortorombica comunemente riportata. Un altro elemento particolarmente importante è che, contrariamente ai film sottili ottenuti anni fa nelle prime ricerche, i nuovi cristalli non hanno bisogno di un ciclo di “wake-up” per diventare ferroelettrici. I ricercatori dell’Università di Groningen ritengono che questi cicli, fossero necessari per allineare i dipoli nei campioni di cristalli non completamente puri a causa delle tecniche diverse usate per il loro accrescimento. Nelle nuove ricerche, invece, le tecniche usate fanno in modo che l’allineamento sia già presente nei cristalli. Le prospettive I risultati degli studi sulla ferroelettricità nei cristalli di ossido di afnio nanostrutturato mettono in luce che i film sottili realizzati con questi ossidi semplici offrono proprietà che possono essere utilizzate per applicazioni anco- ra ampiamente inesplorate. Ora però che il meccanismo della ferroelettricità nanodimensionale è stato spiegato in modo chiaro dai ricercatori, sembra probabile che altri ossidi semplici possano avere proprietà simili e quindi si apre la strada allo sviluppo di nuove e interessanti tecnologie. Per esempio, se il particolare substrato utilizza- to è magnetico, la combinazione di bit magnetici e ferroelettrici offre un ulteriore grado di libertà, consentendo a ciascun bit di memorizzare il doppio delle informazioni. TECH INSIGHT NEWS TECHNOLOGIES Vista interna di una camera a vuoto utilizzata per la crescita dei cristalli di ossido di afnio usati nella ricerca. (Fonte: Henk Bonder, University of Groningen) 22 - ELETTRONICA OGGI 477 - APRILE 2019