Российские ученые вместе с коллегами из Германии и США создали методику измерения распределения электрического потенциала внутри сегнетоэлектрического конденсатора. Это устройство станет основой будущих элементов памяти, которые будут работать на порядок быстрее сегодняшних флешек или твердотельных дисков.

Работа опубликована в журнале Nanoscale.

Устройства постоянной памяти — твердотельные диски (SSD) и флешки — непрерывно улучшаются уже почти три десятка лет. Их емкость постоянно растет, что позволяет им вытеснять из обихода некоторые старые технологии. Но современные флешки созданы на основе транзисторов, и это ограничивает их скорость и надежность. Спустя примерно миллион циклов перезаписи флешка и SSD начинают давать сбои, терять информацию и так далее.

Поэтому исследователи со всего мира стараются создать новый тип энергонезависимой памяти, который превзойдет существующие устройства в скорости доступа, энергопотреблении и количестве циклов перезаписи. Одним из наиболее перспективных материалов для такой технологии считается оксид гафния (HfO₂). Этот материал применяют при изготовлении транзисторов в процессорах в качестве так называемого подзатворного диэлектрика.

Примерно 10 лет назад группа немецких ученых обнаружила, что при определенных условиях очень тонкий слой оксида гафния можно перевести в необычную для него фазу, которая, ко всему прочему, обладает сегнетоэлектрическими свойствами. Это значит, что под действием внешнего электрического поля в кристалле возникает остаточная поляризация и появляется возможность применять его для хранения двоичной информации.

Это побудило ученых попробовать использовать HfO₂ в качестве компонента энергонезависимой памяти. Ранее исследователи создали элементарную ячейку памяти нового типа. Она представляет собой тончайший — менее 10 нанометров — слой оксида гафния, к которому с двух сторон примыкают управляющие электроды. Но для того чтобы правильно использовать эту технологию, необходимо точно знать некоторые ее свойства. Однако за десять лет, прошедших с момента открытия сегнетоэлектрической фазы HfO₂, ни у кого из исследователей не получалось изучить распределение электрического потенциала в этом материале.

Сделать это удалось ученым из МФТИ вместе с коллегами из Германии и США. Для достижения своей цели исследователи применили метод высокоэнергетической рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Специальная методика, разработанная сотрудниками МФТИ, требовала применения рентгеновского излучения, которое можно получить только на синхротронах. Поэтому эксперименты исследователи проводили на установке в Гамбурге.

«В основе методики лежит явление фотоэффекта, — рассказывает один из соавторов, научный сотрудник гамбургского синхротрона Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) Юрий Матвеев. — Измеряя энергию вылетающих из сегнетоэлектрика фотоэлектронов в сочетании с определенными схемами облучения, нам удалось получить распределение электрического потенциала по всей толщине слоя с нанометровым разрешением».

По словам авторов работы, созданные коллегами в МФТИ сегнетоэлектрические конденсаторы способны обеспечить 10 миллиардов циклов перезаписи энергонезависимой памяти — в 100 тысяч раз больше, чем допускают современные флешки.