Veelbelovend maar vreemd

Chemisch gezien is hafnium dioxide tamelijk saai. Maar als je er ultradunne laagjes van maakt lijkt het materiaal erg interessant: het is bijvoorbeeld te gebruiken als niet-vluchtig geheugen door de magnetische dipool met een elektrisch veld om te schakelen. En aangezien de sterkte van deze dipool afhankelijk is van de geschiedenis van het elektrische veld is het bruikbaar voor het bouwen van ‘memristors’, weerstanden met geheugen. Daarmee is het mogelijk computers te bouwen die werken als ons eigen brein. Beatriz Noheda, hoogleraar Functionele Nanomaterialen aan de RUG, heeft de eigenschappen van het materiaal bestudeerd en schreef er onlangs een ‘Perspective’ artikel over voor het tijdschrift Nature Materials. ‘Er zijn al toepassingen mee gemaakt, zelfs nu we de fysica ervan nog niet helemaal begrijpen.’

Om computers efficiënter te maken is een snelle vorm van niet-vluchtig RAM-geheugen nodig. Ferro-elektrische materialen lijken hiervoor een goede kandidaat. Ze bestaan uit eenheden met een magnetische dipool, die is te schakelen met een elektrisch veld. Maar de eigenschappen van dit materiaal verdwijnen wanneer eenheden kleiner worden dan 90 nanometer: dan ontstaat een spontane depolarisatie.

(tekst gaat door onder de foto)

Zuurstof

Er is echter een uitzondering: hafnium dioxide. ‘Dit is min of meer toevallig ontdekt’, vertelt Beatriz Noheda. Hafnium is zeer stabiel bij hoge temperaturen en andere extreme omstandigheden en is daarom in gebruik bij industriële toepassingen in de metallurgie en chemische technologie. Maar het trok ook de aandacht van chipbouwers, omdat amorf hafnium dioxide een zeer efficiënte isolator bleek te zijn voor de poort van transistors. Noheda: ‘Door het gebruikelijke silicium oxide te vervangen door hafnium oxide was het mogelijk die transistoren kleiner te maken.’

Noheda’s belangstelling voor het materiaal komt voort uit het werk dat ze doet voor het Groningen Cognitive Systems and Materials Center (CogniGron), waarvan ze wetenschappelijk directeur is. Het doel van CogniGron is om een neurmorfe (op het brein lijkende) computerarchitectuur te ontwikkelen. Hafnium dioxide is een van de materialen die ze hiervoor bestuderen. ‘In een artikel dat we in 2021 publiceerden in Science beschrijven we hoe het schakelen ervan niet alleen verloopt via de magnetische dipolen. We ontdekten dat ook de verschuiving van gaten in het kristalrooster waar zuurstof heeft gezeten een rol speelden’, aldus Noheda. Op basis van haar kennis over het materiaal is ze gevraagd een artikel te schrijven voor Nature Materials, waarin ze de lessen beschrijft die onderzoek naar hafnium dioxide heeft opgeleverd. Het artikel is op 3 mei gepubliceerd.

Duurzaam

Hafnium dioxide gedraagt zich als een ferro-elektrisch materiaal, maar het behoudt zijn eigenschappen zelfs op een schaal van nanometers. Noheda: ‘Ferro-elektrisch materiaal leek afgeschreven voor de bouw van snel, niet-vluchtig RAM geheugen, maar dankzij hafnium dioxide is dit nu de grootste kanshebber.’ Al is het zo dat hafnium dioxide zich ook weer niet exact gedraagt als een ferro-elektrisch materiaal. ‘We moeten het goed begrijpen voordat we het optimaal kunnen toepassen’, aldus Noheda. ‘En ik geloof dat we vooruitgang maken. Als gezegd, het verplaatsen van zuurstof-gaten lijkt cruciaal te zijn voor de bijzondere eigenschappen.’

Noheda wijst nog op een ander concept dat een rol speelt: de oppervlakte energie van nanodeeltjes. ‘Het fase-diagram laat zien dat het relatief grote oppervlak van dit soort deeltjes hafnium oxide hetzelfde effect heeft als een enorm hoge druk, en dat lijkt belangrijk voor de eigenschappen van het materiaal.’

Dit soort kennis is nodig in de zoektocht naar materialen die zich net zo zullen gedragen als hafnium dioxide. ‘Hafnium is niet de meest duurzame oplossing voor de productie van een nieuw type microchip, aangezien de wereldwijde voorraden ervan beperkt zijn. Maar door materialen met vergelijkbare eigenschappen te zoeken vinden we mogelijk een betere kandidaat.’ Dat zou wellicht zirkonium kunnen zijn.

Neuromorfe computers

Als zo’n duurzaam alternatief voor hafnium is gevonden, kan dat het gebruik van ferroelektrisch materiaal voor RAM geheugen versnellen. ‘En aangezien de sterkte van de dipool afhangt van de geschiedenis van het elektrische veld waardoor die ontstaat zou het materiaal ideaal zijn voor de constructie van memristors, die waarden kunnen hebben tussen de klassieke binaire waarden 0 en 1 van regulieren transistoren.’ Zulke analoog werkende schakelingen kunnen zich gedragen als de hersencellen in ons brein. Het zijn daarmee kandidaten voor de bouw van neuromorfe computers. ‘We werken al aan de constructie van neuromorfe chips. Maar eerst moeten we de fysica snappen van hafnium dioxide en vergelijkbare materialen.’

Het Perspective artikel schreef Noheada samen met Monica Acuautla van het Engineering and Technology institute Groningen (ENTEG) van de RUG en Pavan Nukala van het IISC Bengaluru in India.

Referentie: B . Noheda, P. Nukala & M. Acuautla: Lessons from hafnium dioxide-based ferroelectrics. Nature Materials, 3 May 2023.