Vers des ordinateurs plus rapides grâce à l’oxyde d’hafnium ?

Des chercheurs américains ont fait une découverte encourageante dans le domaine des matériaux ferroélectriques, ouvrant la voie au développement de mémoires informatiques plus performantes.

Une équipe de scientifiques du Oak Ridge National Laboratory du ministère américain de l’Énergie a étudié le comportement de l’oxyde d’hafnium, ou hafnia. Ce matériau suscite un grand intérêt pour des applications dans l’industrie des semi-conducteurs.

En effet, l’oxyde d’hafnium possède des propriétés ferroélectriques : il est capable de conserver des données même lorsque l’alimentation est coupée. Il pourrait donc être utilisé pour développer de nouvelles mémoires dites « non volatiles« .

Vers des ordinateurs plus rapides

Ces mémoires innovantes ouvriraient la voie à la création d’ordinateurs plus puissants et rapides. Elles permettraient de soulager la chaleur générée par le transfert continu de données vers la mémoire à court terme.

Les scientifiques ont cherché à comprendre si l’atmosphère joue un rôle dans la capacité de l’oxyde d’hafnium à modifier son agencement de charges électriques internes lorsqu’un champ électrique externe est appliqué. L’objectif était d’expliquer la variété de phénomènes inhabituels observés dans les recherches sur l’oxyde d’hafnium.

Preuve concluante du rôle de l’atmosphère

Les résultats de l’étude, publiés dans Nature Materials, apportent une preuve concluante : le comportement ferroélectrique de ces systèmes est couplé à la surface et peut être ajusté en modifiant l’atmosphère environnante.

Selon Kyle Kelley, chercheur au laboratoire Oak Ridge National Laboratory : « Auparavant, le fonctionnement de ces systèmes était une spéculation, une hypothèse basée sur un grand nombre d’observations. »

Vers une modélisation prédictive

Ces découvertes ouvrent la voie à une modélisation prédictive de l’oxyde d’hafnium, cruciale étant donné l’importance de ce matériau dans l’industrie des semi-conducteurs.

La modélisation prédictive permet aux scientifiques d’estimer les propriétés et le comportement d’un système inconnu à partir de recherches antérieures.

L’équipe espère que ce qu’elle a découvert stimulera de nouvelles recherches visant spécifiquement à explorer le rôle des surfaces contrôlées et de l’électrochimie des interfaces – la relation entre l’électricité et les réactions chimiques – dans les performances d’un dispositif informatique.

« Les études futures pourront étendre ces connaissances à d’autres systèmes pour nous aider à comprendre comment l’interface affecte les propriétés de l’appareil, ce qui, espérons-le, sera positif« , a indiqué Kyle Kelley. « Généralement, l’interface tue les propriétés ferroélectriques lorsqu’elle est mise à l’échelle à ces épaisseurs. Dans le cas présent, elle nous a montré une transition d’un état matériel à un autre« .

Sergei Kalinin de l’Université du Tennessee a ajouté : « Traditionnellement, nous avons exploré les surfaces au niveau atomique pour comprendre des phénomènes tels que la réactivité chimique et la catalyse, ou la modification de la vitesse d’une réaction chimique. Parallèlement, dans la technologie traditionnelle des semi-conducteurs, notre objectif était uniquement de maintenir les surfaces propres et exemptes de contaminants. Nos études montrent qu’en fait, ces deux domaines – la surface et l’électrochimie – sont liés. Nous pouvons utiliser les surfaces de ces matériaux pour ajuster leurs propriétés fonctionnelles globales« .

En synthèse

Cette étude révèle le rôle clé de l’atmosphère sur les propriétés ferroélectriques de l’oxyde d’hafnium. Elle ouvre des perspectives prometteuses pour le développement de mémoires informatiques plus performantes. Les prochaines recherches pourront s’appuyer sur ces découvertes pour anticiper le comportement de l’oxyde d’hafnium lorsqu’il est allié à d’autres éléments.

Légende illustration principale : En utilisant le microscope à force atomique sous ultravide du Center for Nanophase Materials Sciences du DOE à l’ORNL, les chercheurs ont découvert des transitions de phase ferroélectrique uniques induites par l’environnement dans l’oxyde de hafnium et de zirconium, un matériau important pour la mise au point de semi-conducteurs avancés. Crédit : Arthur Baddorf/ORNL, Dept. of Energy

Article : « Ferroelectricity in hafnia controlled via surface electrochemical state » – DOI: 10.1038/s41563-023-01619-9