一种能够实现多个铁电相变的质子驱动方法为超低功耗、高容量计算机芯片奠定了基础。

由KAUST领导的国际团队发现，一种在铁电材料中产生多个相变的质子介导方法可以帮助开发高性能存储设备，例如大脑启发或神经形态计算芯片。该论文发表在《科学进展》杂志上。

铁电体(例如硒化铟)是本质上极化的材料，当置于电场中时会切换极性，这使得它们对于创建存储技术具有吸引力。除了要求低工作电压之外，所得存储器件还表现出优异的最大读/写耐久性和写入速度，但它们的存储容量较低。这是因为现有的方法只能触发几个铁电相，而捕获这些铁电相在实验上具有挑战性，在薛飞和张西翔的指导下共同领导了这项研究的何欣说。

现在，该团队设计的方法依靠硒化铟的质子化来产生多个铁电相。研究人员将铁电材料纳入由硅支撑堆叠异质结构组成的晶体管中进行评估。

他们在异质结构上沉积了多层硒化铟薄膜，该异质结构由夹在底部铂层和顶部多孔二氧化硅之间的氧化铝绝缘片组成。当铂层充当施加电压的电极时，多孔二氧化硅充当电解质并向铁电薄膜提供质子。

研究人员通过改变施加的电压逐渐从铁电薄膜中注入或去除质子。这可逆地产生了几个具有不同质子化程度的铁电相，这对于实现具有大量存储容量的多层存储器件至关重要。

较高的正施加电压会增强质子化，而较高振幅的负电压会在更大程度上耗尽质子化水平。

质子化水平也根据薄膜层与二氧化硅的接近程度而变化。它们在与二氧化硅接触的底层达到最大值，并逐步下降以在顶层达到最小量。

出乎意料的是，当施加的电压关闭时，质子感应铁电相恢复到其初始状态。“我们观察到这种不寻常的现象，因为质子从材料中扩散到二氧化硅中，”薛解释道。

通过制造一种与二氧化硅具有光滑、连续界面的薄膜，该团队获得了一种工作电压低于0.4伏的高质子注入效率器件，这是开发低功耗存储器件的关键。“我们最大的挑战是降低工作电压，但我们意识到界面上的质子注入效率控制着工作电压，并且可以相应地进行调整，”薛说。

“我们致力于开发能耗更少、运行速度更快的铁电神经形态计算芯片，”薛说。

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标签：铁质子材料