Onderzoekers hebben een verbazingwekkend geheugenmateriaal ontdekt

Onderzoekers hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de ontwikkeling van niet-vluchtig faseveranderingsgeheugen – een soort elektronisch geheugen dat gegevens kan opslaan, zelfs als de stroom is uitgeschakeld – met behulp van een materiaal dat nooit de eigenschappen heeft getoond die nodig zijn voor een dergelijk geheugen.

Tot nu toe is faseveranderingsgeheugen voornamelijk ontwikkeld met behulp van … Chalcogeniden – Een groep materialen waarvan bekend is dat ze omkeerbare elektrische veranderingen vertonen bij de overgang tussen hun kristallijne en amorfe toestand. Maar wat als er beter materiaal was?

Gelamineerd nikkel: een veelbelovend materiaal

In een onlangs gepubliceerde studie hebben onderzoekers A Omkeerbare verandering in elektrische weerstand bij kamertemperatuur In nikkellaminaat biedt het potentieel betere prestaties en duurzaamheid.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap op 3 september 2023. Gelaagde nikkelen zijn een klasse complexe oxidematerialen bestaande uit nikkelionen. Ze hebben een gelaagde structuur, waarbij vlakken van nikkel- en zuurstofatomen worden afgewisseld met lagen die andere elementen bevatten, vaak alkalische of zeldzame aardmetalen.

Hun unieke opstelling heeft de interesse van onderzoekers gewekt vanwege de interessante eigenschappen van hun elektronen, met potentiële toepassingen op gebieden als supergeleiding en, in dit geval, elektronica.

Structuur en eigenschappen van gelaagd nikkel

de Nikkels De door de onderzoekers bestudeerde platen bestaan ​​uit lagen strontium-, bismut- en zuurstofatomen in een structurele opstelling van het type.Steen zout“, verweven met lagen strontium-, nikkel- en zuurstofmoleculen in een perovskietstructuur.

Perovskieten worden gedefinieerd door een specifieke kristalstructuur van twee positief geladen atomen en één negatief geladen atoom, en vertonen een aantal interessante eigenschappen, van supergeleiding tot ferro-elektriciteit – een spontane elektrische polarisatie die kan worden omgekeerd door een elektrisch veld aan te leggen.

Deze laatste eigenschap is vooral interessant met betrekking tot het niet-vluchtige faseveranderingsgeheugen, omdat deze afhankelijk is van het vermogen van het materiaal om op een omkeerbare manier van de ene toestand naar de andere over te gaan.

Zoek naar thermische reflectie

“We wilden weten of een soortgelijke omkeerbaarheid thermisch kon worden bereikt“, merkte Hideyuki Kawasuku op, co-auteur van de studie en onderzoeker bij Materiaalkunde aan de Tohoku Universiteit in Japan.

Deze omkeerbaarheid is aangetoond in veel chalcogeniden, maar niet in overgangsmetaaloxiden – althans nog niet. Hoewel chalcogeniden al effectief zijn gebleken in veel faseveranderingsgeheugentoepassingen, vertonen overgangsmetaaloxiden vaak een betere thermische en chemische stabiliteit vergeleken met sommige chalcogeniden.

Dit kan resulteren in een langere levensduur van de hardware en de mogelijkheid om onder zwaardere omstandigheden te werken.

Veel overgangsmetaaloxiden zijn ook overvloediger aanwezig dan chalcogeniden, wat de kosten kan verlagen en de duurzaamheid kan verbeteren.

Overgangsmetaaloxiden worden al veel gebruikt in elektronica, sensoren en aanverwante toepassingen. Als ze kunnen worden aangepast aan nieuwe functies, zoals faseveranderingsgeheugen, kunnen ze gemakkelijker worden geïntegreerd in bestaande productieprocessen en apparaten, waardoor de toeleveringsketen verder wordt vereenvoudigd en mogelijk extra voordelen worden geboden op het gebied van duurzaamheid.

Faseverandering bij terugkeer van kristallen

De onderzoekers ontdekten dat hun gelaagde nikkelen een door warmte geïnduceerde kristallijne faseverandering vertonen. Dit verwijst naar een soort faseverandering die optreedt wanneer een materiaal een omkeerbare overgang ondergaat tussen drie kristallijne fasen bij verhitting en afkoeling.

“Kortom, een stof kan bij verhitting en afkoeling meerdere keren van de ene fase naar de andere overgaan“concludeerde Tomoteru Fukumura, een andere auteur van het artikel. Dit staat in contrast met een typische faseverandering, die onomkeerbaar is en slechts één keer optreedt wanneer het materiaal wordt verwarmd of afgekoeld.

Synthetisch

De herintredingsfaseverandering die wordt waargenomen in de gelaagde stuivers van het onderzoek is belangrijk omdat het omkeerbaar schakelen van elektrische weerstand mogelijk maakt, en dit bij kamertemperatuur. Dit maakt de ontwikkeling mogelijk van niet-vluchtig faseveranderingsgeheugen met meerdere niveaus met behulp van dit type materiaal en in algemene toepassingen.

Voor een beter begrip

1. Wat is een niet-vluchtig faseveranderingsgeheugen?

Niet-vluchtig faseveranderingsgeheugen is een type elektronisch geheugen dat gegevens kan opslaan, zelfs als de stroom is uitgeschakeld. Het hangt af van het vermogen van een materiaal om op een omkeerbare manier van de ene toestand naar de andere te gaan, waardoor de elektrische weerstand ervan wordt gewijzigd.

2. Wat is de rol van nikkellagen in dit onderzoek?

Gelaagde nikkelen zijn een klasse complexe oxidematerialen bestaande uit nikkelionen. De onderzoekers ontdekten dat hun nikkellaag een door warmte omkeerbare kristallijne faseverandering vertoont, waardoor omkeerbaar schakelen van elektrische weerstand bij kamertemperatuur mogelijk is.

3. Wat is een herintredingsfaseverandering?

Inspringende faseverandering is een soort faseverandering die optreedt wanneer een materiaal een omkeerbare overgang ondergaat tussen drie kristallijne fasen bij verhitting en afkoeling. Hierdoor kan het materiaal meerdere keren van de ene fase naar de andere overgaan terwijl het wordt verwarmd en afgekoeld.

4. Wat zijn de voordelen van overgangsmetaaloxiden?

Overgangsmetaaloxiden vertonen vaak een betere thermische en chemische stabiliteit vergeleken met sommige chalcogeniden, wat kan leiden tot apparaten met een langere levensduur en die onder zwaardere omstandigheden kunnen werken. Bovendien zijn ze over het algemeen overvloediger, wat de kosten kan verlagen en de duurzaamheid kan verbeteren.

5. Wat zijn de gevolgen voor apparaten die gebruik maken van niet-vluchtig geheugen?

De ontdekking van inspringende faseverandering in nikkellagen maakt de ontwikkeling mogelijk van niet-vluchtig faseveranderingsgeheugen op meerdere niveaus met behulp van dit type materiaal en in algemene toepassingen. De studie gaf ook inzicht in de specifieke mechanismen die betrokken zijn bij het omkeerbaar schakelen van elektrische weerstand bij kamertemperatuur, wat belangrijke implicaties zou kunnen hebben voor apparaten die afhankelijk zijn van niet-vluchtig geheugen.

Het nieuwe materiaal biedt een duurzamer en langduriger niet-vluchtig faseveranderingsgeheugen op meerdere niveaus. Krediet: Tohoku Universiteit

Voorwaarde: “Thermisch opnieuw ingevoerde kristallijne faseverandering in van perovskiet afgeleid nikkel waardoor omkeerbaar schakelen van elektrische weerstand bij kamertemperatuur mogelijk is.” – Auteurs: Kota Matsumoto, Hideyuki Kawasuku, Eiji Nishibori en Tomoteru Fukumura – Tijdschrift: Advanced Science – DOI: 10.1002/advs.202304978

[ Rédaction ]