Die Eigenschaften von Hafniumdioxid (allgemein bekannt als Hafina) scheinen auf den ersten Blick unauffällig zu sein. Wenn dieses Material jedoch zu ultradünnen Schichten verarbeitet wird, zeigt es faszinierende Eigenschaften: Durch das Schalten von Dipolen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes können solche ultradünnen Schichten als nichtflüchtiger Computerspeicher verwendet werden. Da die Stärke dieser Dipole außerdem durch die elektrischen Felder beeinflusst wird, denen sie in der Vergangenheit ausgesetzt waren, eignen sie sich ideal für Memristoren, mit denen sich „gehirnähnliche“ Computerarchitekturen aufbauen lassen.
Beatriz Noheda, Professorin für funktionelle Nanomaterialien an der Universität Groningen, hat dieses Material untersucht und kürzlich einen Perspektivenartikel über seine Eigenschaften für die Zeitschrift Nature-Materials geschrieben. „Auch wenn wir nicht die gesamte Physik verstehen, wird sie bereits in Geräten verwendet“, sagt sie.
Um effizientere Computer zu schaffen, scheint ein schneller nichtflüchtiger Direktzugriffsspeicher (RAM) ein guter Kandidat zu sein. Diese Materialien bestehen aus Zellen mit Dipolen, die unter Einwirkung eines elektrischen Feldes gemeinsam schalten. Wenn jedoch die Anzahl der Einheiten zu gering ist, verschlechtern sich ihre Eigenschaften; Unterhalb von etwa 90 Nanometern kommt es zur spontanen Depolarisation. Eine Ausnahme bildet die Sauerstofflücke
, die mehr oder weniger zufällig entdeckt wurde, sagt Beatriz Noheda. Hafner ist bei hohen Temperaturen und rauen Umgebungen sehr stabil und wird traditionell in der metallurgischen und chemischen Industrie eingesetzt. Als sich jedoch amorphes Hafner als sehr effizienter Gate-Isolator in Transistoren erwies, erregte es die Aufmerksamkeit der Mikrochip-Hersteller. Durch den Ersatz von herkömmlichem Siliziumoxid durch Hafner können Transistoren kleiner werden. „
Nohedas Interesse an diesem Material rührt von ihrer Arbeit am Zentrum für kognitive Systeme und Materialien in Groningen (CogniGron) her, wo sie wissenschaftliche Leiterin ist. CogniGrons Ziel ist die Schaffung neuromorpher Computerarchitekturen. Hafnia ist eines der Materialien, die im Zentrum untersucht werden.“ In einem 2021 in Science veröffentlichten Artikel beschreiben wir, wie das Schalten nicht nur durch Dipole erfolgt. „Wir haben herausgefunden, dass auch die Bewegung von Sauerstofffehlstellen eine Rolle spielt“, sagte Noheda. Aufgrund ihrer Erfahrungen wurde sie eingeladen, die Lehren aus Hafnia in einem perspektivischen Artikel in Nature Materials zu diskutieren.
Hafner verhält sich wie ein Ferroelektrikum, behält seine Eigenschaften jedoch nur im Nanometerbereich bei. „Ferroelektrika scheinen aus dem Rennen um ultrakleine nichtflüchtige RAMs ausgestiegen zu sein, aber mit Hafnia liegen sie jetzt an der Spitze.“ Dennoch scheint sich Hafner nicht genau wie ein Ferroelektrikum zu verhalten, und wie bereits erwähnt, scheint die Bewegung von Sauerstofffehlstellen entscheidend für seine Eigenschaften zu sein.
Noheda wies auch auf ein weiteres zu berücksichtigendes Konzept hin: die Oberflächenenergie der Nanopartikel. „Phasendiagramme zeigen, dass die relativ große Oberfläche dieser Partikel in Hafniumdioxid extrem hohe Drücke erzeugt, die offenbar eine Rolle bei den Eigenschaften des Materials spielen. Diese Art von Wissen ist wichtig, um andere Materialien zu finden, die sich ähnlich wie Hafnium verhalten. Da das weltweite Angebot zu gering ist, ist Hafnium kein Hersteller von Mikrochips. Die nachhaltigste Option in der Herstellung. Durch die Suche nach Materialien mit ähnlichen Eigenschaften können wir möglicherweise bessere Kandidaten finden.“ „
Die Suche nach nachhaltigen Alternativen zu Hafnium könnte den Einsatz ferroelektrischer Materialien in RAM-Speichern beschleunigen. Da die Stärke eines Dipols von der Geschichte des elektrischen Feldes abhängt, das ihn erzeugt hat, wäre er ein ideales Material für die Herstellung von Memristoren. Solche simulierten Geräte verhalten sich ähnlich wie die Neuronen in unserem Gehirn und sind Kandidaten für neuromorphe Computerarchitekturen. „Wir arbeiten hart an der Entwicklung dieses neuromorphen Chips. Aber zuerst müssen wir die physikalischen Eigenschaften von Hafniumdioxid und ähnlichen Materialien vollständig verstehen.“