Grâce à une nouvelle approche renversant le paradigme de la manipulation des matériaux ferroélectriques, une équipe de chercheurs a mis au point un procédé permettant de générer de multiples transitions de phase dans ces composés, ouvrant la voie au développement de mémoires à haute performance, notamment pour l’informatique neuromorphique inspirée du cerveau.
Les matériaux ferroélectriques comme le séléniure d’indium présentent une polarisation intrinsèque qui s’inverse sous l’effet d’un champ électrique, ce qui les rend très intéressants pour les technologies de mémoire.
En plus de nécessiter de faibles tensions de fonctionnement, les dispositifs qui en découlent offrent d’excellentes performances en termes de cycles d’écriture/lecture et de vitesse d’écriture. Leur capacité de stockage reste cependant limitée, car les méthodes actuelles ne permettent de déclencher que quelques phases ferroélectriques, difficiles à capturer expérimentalement, explique Xin He, qui a co-dirigé ces travaux sous la supervision de Fei Xue et Xixiang Zhang du KAUST.
Un contrôle inédit via la protonation
La protonation désigne l’ajout de protons à un composé chimique. Plus précisément, il s’agit d’un processus durant lequel un proton H+ est ajouté à une molécule ou un ion. Cela a pour effet d’augmenter la charge positive de cette entité.
La méthode mise au point par l’équipe s’appuie sur la protonation du séléniure d’indium pour générer une multitude de phases ferroélectriques. Les chercheurs ont intégré ce matériau dans un transistor comprenant un empilement hétérostructuré supporté par du silicium, pour l’évaluer.
Ils ont ainsi déposé un film multicouche de séléniure d’indium sur cet empilement, composé d’une fine couche isolante d’oxyde d’aluminium prise en sandwich entre une couche de platine en dessous et de silice poreuse au-dessus. Alors que la couche de platine servait d’électrode pour la tension appliquée, la silice poreuse jouait le rôle d’électrolyte et fournissait des protons au film ferroélectrique.
Des protons injectés et retirés à volonté
En faisant varier la tension appliquée, les chercheurs ont pu injecter ou retirer progressivement des protons du film ferroélectrique. Ceci a produit de façon réversible plusieurs phases ferroélectriques avec divers degrés de protonation, crucial pour la mise en œuvre de dispositifs de mémoire multiniveaux offrant une capacité de stockage substantielle.
Des tensions positives élevées augmentaient la protonation, tandis que des tensions négatives d’amplitudes croissantes réduisaient davantage les niveaux de protonation.
Ces niveaux variaient également selon la proximité des couches du film avec la silice. Ils atteignaient des valeurs maximales dans la couche inférieure, en contact avec la silice, pour décroître par paliers jusqu’aux valeurs minimales dans la couche supérieure.
Un phénomène inattendu ouvrant de nouveaux horizons
Contre toute attente, le retour à la tension nulle permettait aux phases ferroélectriques induites par les protons de revenir à leur état initial. « Nous avons observé ce phénomène inhabituel car les protons diffusaient hors du matériau dans la silice« , explique Fei Xue.
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En fabriquant un film affichant une interface lisse et continue avec la silice, l’équipe a obtenu un dispositif à haute efficacité d’injection de protons fonctionnant en-dessous de 0,4 V, ce qui est clé pour le développement de mémoires basse consommation. « Notre plus grand défi était de réduire la tension de fonctionnement, et nous avons réalisé que l’efficacité d’injection de protons à l’interface réglait les tensions de fonctionnement et pouvait être accordée en conséquence« , souligne Fei Xue.
Cette approche ouvre également la voie au développement de puces de calcul neuromorphique basse consommation et rapides. Nous nous engageons à mettre au point de telles puces ferroélectriques inspirées du cerveau« , conclut Fei Xue .
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que l’informatique neuromorphique ?
L’informatique neuromorphique s’inspire du fonctionnement du cerveau pour concevoir des puces et systèmes informatiques bien plus efficaces en termes d’énergie que les ordinateurs traditionnels pour certaines tâches spécifiques comme la reconnaissance d’images.
En quoi consistent les matériaux ferroélectriques ?
Les matériaux ferroélectriques possèdent une polarisation électrique intrinsèque qui peut être inversée sous l’effet d’un champ électrique. Cette propriété réversible les rend très intéressants pour stocker de l’information sous forme binaire.
Comment cette étude fait-elle avancer le domaine ?
En contrôlant finement l’injection de protons dans ces matériaux, les chercheurs ont pu générer de multiples phases ferroélectriques de manière réversible, ouvrant la voie à des mémoires multi-niveaux de grande capacité.
Quels sont les défis restants ?
Bien que prometteuse, cette approche nécessite encore des travaux pour optimiser l’interface avec les protons et réduire les tensions de contrôle, avant de pouvoir être intégrée dans des dispositifs réels.
He, X., Ma, Y., Zhang, C., Fu, A., Hu, W., Xu, Y., Yu, B., Liu, K., Wang, H., Zhang, X. & Xue, F. Proton-mediated reversible switching of metastable ferroelectric phases with low operation voltages. Science Advances 9, eadg4561 (2023).| article
Illustration image principale : La puce informatique neuromorphique ferroélectrique de l’équipe, ici testée en laboratoire. 2023 KAUST ; Fei Xue.
