Les scientifiques font progresser l’utilisation de l’oxyde d’hafnium (hafnia) pour la prochaine génération de mémoire informatique non volatile, offrant ainsi des avantages significatifs par rapport aux technologies existantes. Crédit : Issues.fr.com
Les scientifiques décrivent de nouveaux processus permettant d’exploiter les caractéristiques ferroélectriques de Hafnia dans le but d’améliorer le calcul haute performance.
Les scientifiques et les ingénieurs s’efforcent depuis une décennie d’exploiter un matériau ferroélectrique insaisissable appelé oxyde d’hafnium, ou hafnia, pour inaugurer la prochaine génération de mémoire informatique. Une équipe de chercheurs, dont Sobhit Singh de l’Université de Rochester, a publié un Actes de l’Académie nationale des sciences étude décrivant les progrès réalisés vers la mise à disposition de hafnia ferroélectrique et antiferroélectrique en vrac pour une utilisation dans diverses applications.
Dans une phase cristalline spécifique, la hafnia présente des propriétés ferroélectriques, c’est-à-dire une polarisation électrique qui peut être modifiée dans un sens ou dans l’autre en appliquant un champ électrique externe. Cette fonctionnalité peut être exploitée dans la technologie de stockage de données. Lorsqu’elle est utilisée en informatique, la mémoire ferroélectrique présente l’avantage d’être non volatile, ce qui signifie qu’elle conserve ses valeurs même lorsqu’elle est hors tension, l’un des nombreux avantages par rapport à la plupart des types de mémoire utilisés aujourd’hui.
Dans une phase cristalline spécifique, l’oxyde d’hafnium, ou hafnia, présente des propriétés ferroélectriques que les scientifiques tentent d’exploiter depuis des années. Les théoriciens de l’Université de Rochester ont contribué à franchir une étape importante vers la mise à disposition de hafnia ferroélectrique et antiferroélectrique en vrac pour une utilisation dans diverses applications, y compris le calcul haute performance. Crédit : Illustration de l’Université de Rochester / Michael Osadciw
Le potentiel de la mémoire ferroélectrique
« L’Hafnia est un matériau très intéressant en raison de ses applications pratiques en technologie informatique, notamment pour le stockage de données », explique Singh, professeur adjoint au Département de génie mécanique. « Actuellement, pour stocker les données, nous utilisons des formes de mémoire magnétiques qui sont lentes, nécessitent beaucoup d’énergie pour fonctionner et ne sont pas très efficaces. Les formes de mémoire ferroélectriques sont robustes, ultra-rapides, moins chères à produire et plus économes en énergie.
Mais Singh, qui effectue des calculs théoriques pour prédire les propriétés des matériaux au niveau quantique, affirme que l’hafnia en vrac n’est pas ferroélectrique dans son état fondamental. Jusqu’à récemment, les scientifiques ne pouvaient amener l’hafnia à son état ferroélectrique métastable qu’en le soumettant à une fine couche bidimensionnelle d’une épaisseur nanométrique.
Progrès de la science des matériaux
En 2021, Singh faisait partie d’une équipe de scientifiques de l’Université Rutgers qui ont permis à l’hafnia de rester dans son état ferroélectrique métastable en alliant le matériau avec de l’yttrium et en le refroidissant rapidement. Pourtant, cette approche présentait certains inconvénients. « Il a fallu beaucoup d’yttrium pour atteindre la phase métastable souhaitée », dit-il. « Ainsi, même si nous avons atteint notre objectif, nous avons en même temps gêné de nombreuses caractéristiques clés du matériau, car nous introduisions beaucoup d’impuretés et de désordre dans le cristal. La question est devenue : comment pouvons-nous atteindre cet état métastable avec le moins d’yttrium possible pour améliorer les propriétés du matériau résultant ? »
Dans la nouvelle étude, Singh a calculé qu’en appliquant une pression significative, on pourrait stabiliser l’hafnia en vrac sous ses formes ferroélectriques et antiferroélectriques métastables, toutes deux intéressantes pour des applications pratiques dans les technologies de stockage de données et d’énergie de nouvelle génération. Une équipe dirigée par le professeur Janice Musfeldt de l’Université du Tennessee à Knoxville a réalisé des expériences à haute pression et a démontré qu’à la pression prévue, le matériau se transformait en phase métastable et y restait même lorsque la pression était supprimée.
« Il s’agit d’un excellent exemple de collaboration expérimentale et théorique », déclare Musfeldt.
La nouvelle approche ne nécessitait qu’environ la moitié de la quantité d’yttrium comme stabilisant, améliorant ainsi considérablement la qualité et la pureté des cristaux de hafnia cultivés. Maintenant, Singh dit que lui et les autres scientifiques s’efforceront d’utiliser de moins en moins d’yttrium jusqu’à ce qu’ils trouvent un moyen de produire de la hafnia ferroélectrique en masse pour une utilisation généralisée.
Et alors que la hafnia continue d’attirer une attention croissante en raison de sa ferroélectricité fascinante, Singh organise une séance de discussion sur ce matériau lors de la prochaine réunion de mars 2024 de l’American Physical Society.
Financement : DOE/Département américain de l’Énergie, Fondation Gordon et Betty Moore, Bureau de recherche navale, National Science Foundation
