Ученые из лаборатории функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ совместно с коллегами из Германии и США смогли создать методику измерения распределения электрического потенциала внутри так называемого сегнетоэлектрического конденсатора. Таким образом, они заложили основы элементов памяти будущего, которые будут работать быстрее и надежнее нынешних флешек и жестких дисков. Отмечается, что устройства нового поколения смогут выдерживать в сотни тысяч раз больше циклов перезаписи. В настоящее время устройства постоянной памяти, то есть твердотельные диски (SSD) и флешки, совершенствуются в плане роста объема памяти. Однако в системах, которые требуют повышенной надежности, в том числе, серверное оборудование, продолжают использовать традиционные магнитные диски. Проблема заключается в том, что флешки изготовлены на основе транзисторов, и это ограничивает их скорость и надежность, так как примерно через 10^5−10^6 циклов перезаписи они начинают давать сбои или терять информацию.

Перспективным материалом для нового вида накопителя считается оксид гафния (HfO2). Диэлектрический материал изначально использовали в микроэлектронной промышленности при изготовлении транзисторов в процессорах в качестве так называемого подзатворного диэлектрика. Затем немецкие ученые выяснили, что при определенных условиях, например, при температурной обработке, очень тонкий слой оксида гафния можно «переключить» в необычную для него кристаллическую структуру (фазу), которая имеет сегнетоэлектрические свойства. Получается, что под воздействием внешнего электрического поля в кристалле возникает остаточная поляризация, и это делает возможным хранить на нем двоичную информацию. «Все открытые ранее сегнетоэлектрики по разным причинам не могут быть использованы в современной наноэлектронике, — отмечает один из авторов исследования Андрей Зенкевич, заведующий лабораторией функциональных материалов и устройств для наноэлектроники МФТИ. Элементарная ячейка памяти нового типа — это тончайший (менее 10 нанометров) слой сегнетоэлектрического оксида гафния. К нему с двух сторон примыкают управляющие электроды. Конструкция напоминает электрический конденсатор, однако для использования сегнетоэлектрических конденсаторов в качестве ячеек памяти нужно добиться максимально возможной величины поляризации. Для этого ученым необходимо детально изучить свойства нанослоя. Например, им нужно получить представление о том, как распределяется электрический потенциал внутри него при подаче напряжения на электроды. Ранее никто из исследователей непосредственно не занимался этим, а распределение потенциала изучали с помощью математических моделей. Авторы нового исследования смогли изучить это распределение на практике. Они применили метод так называемой высокоэнергетической рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Она потребовала применения рентгеновского излучения, получаемого только на специальных ускорителях-синхротронах, один из которых находится в немецком Гамбурге. Там и провели измерения на сегнетоэлектрических конденсаторах, изготовленных в МФТИ. Прототип ячейки памяти поместили в сверхвысоковакуумную камеру. Там его подключили к аппаратуре, контролирующей электрическое состояние и перезаписывающей сохраненную в ячейке информацию прямо во время облучения. Затем на структуру направили сфокусированный пучок рентгеновского излучения под скользящим углом ~0.5 градуса. Это спровоцировало эффект так называемой «стоячей» волны рентгена в структуре. Фотоэлектроны, возбужденные волной, были зафиксированы с помощью специального анализатора. Это и позволило узнать о величине электрического потенциала в слое оксида гафния.

«В основе методики лежит явление фотоэффекта. Измеряя энергию вылетающих из сегнетоэлектрика фотоэлектронов в сочетании с определенными схемами облучения структур, нам удалось получить картину локального электрического потенциала по всей толщине слоя с нанометровым разрешением», — пояснил Юрий Матвеев, один из авторов, научный сотрудник гамбургского синхротрона Deutsches Elektronen-Synchrotron. Зенкевич отмечает, что созданные конденсаторы, если их применить для промышленного изготовления ячеек памяти, способны обеспечить 10^10 циклов перезаписи.