مواد و ساخت پیشرفته

دانشمندان در حال رسیدن به نتایج جالبی در استفاده از اکسید هافنیوم (هافنیا) برای ساخت نسل بعدی حافظه محاسباتی غیرفرار هستند که مزایای قابل‌توجهی را نسبت به فناوری‌های موجود ارائه می‌دهد. آنها قصد دارند فرآیندهای جدیدی را برای استفاده از ویژگی‌های فروالکتریک مادۀ هافنیا با هدف افزایش محاسبات با کارایی بالا ترسیم ‌کنند.

دانشمندان و مهندسان در دهه گذشته تلاش کرده‌اند تا از یک ماده فروالکتریک گریزان به نام اکسید هافنیوم یا هافنیا برای ایجاد نسل بعدی حافظه محاسباتی استفاده کنند. تیمی از محققان از جمله سوبهیت سینگ از دانشگاه روچستر در یک مطالعه که در آکادمی ملی علوم منتشر شده است پیشرفت به‌سوی ساخت هافنیای فروالکتریک و ضد فروالکتریک برای استفاده در کاربردهای مختلف را ارائه نموده است.

در یک فاز کریستالی خاص، هافنیا خواص فروالکتریکی از خود نشان می‌دهد، یعنی قطبش الکتریکی که می‌تواند با اعمال میدان الکتریکی خارجی در یک جهت تغییر کند. این ویژگی را می‌توان با فناوری ذخیره‌سازی داده‌ها مهار کرد. هنگامیکه در محاسبات استفاده می‌شود، حافظه فروالکتریک دارای مزیت عدم فرار است، به این معنی که ارزش خود را حتی در صورت خاموش بودن نیز حفظ می‌کند، که یکی از چندین مزیت نسبت به اکثر انواع حافظه‌های امروزی است.

سینگ استادیار دپارتمان مهندسی مکانیک می‌گوید ماده هافنیا به دلیل کاربردهای عملی آن در فناوری کامپیوتر به‌ویژه برای ذخیره‌سازی داده، یک ماده بسیار هیجان‌انگیز است. در حال حاضر برای ذخیره داده‌ها از اشکال مغناطیسی حافظه استفاده می‌کنیم که کند هستند و برای کارکردن به انرژی زیادی نیاز دارند و کارآمد نیستند. فرم‌های فروالکتریک حافظه قوی، فوق‌العاده سریع و تولیدشان ارزان‌تر و کارآمدتر است.

اما سینگ که محاسبات نظری را برای پیش‌بینی خواص مواد در سطح کوانتومی انجام می‌دهد می‌گوید که هافنیای بالک در حالت پایه فروالکتریک نیست. تا همین اواخر دانشمندان تنها زمانی می‌توانستند هافنیا را به حالت فروالکتریک متقابل آن برسانند که آن را به صورت یک لایه نازک و دو بعدی با ضخامت نانومتر صاف کنند. ولی در سال 2021 میلادی سینگ بخشی از تیمی از دانشمندان دانشگاه راتگرز بود که با آلیاژ کردن مواد با ایتریوم و سرد کردن سریع آن، هافنیا را در حالت فروالکتریک متابولیسم خود حفظ کرد.

با این حال این رویکرد دارای اشکالاتی بود. او می‌گوید برای رسیدن به مرحلۀ فراپایدار مطلوب، به مقدار زیادی ایتریوم نیاز بود. بنابراین در حالیکه ما به آنچه می‌خواستیم دست یافتیم ولی در عین حال بسیاری از ویژگی‌های کلیدی مواد را مختل می‌کردیم زیرا ناخالصی‌ها و بی‌نظمی‌های زیادی را در کریستال وارد می‌نمودیم. این سوال مطرح شد که چگونه می‌توانیم با کمترین میزان ممکن به آن حالت ناپایدار برسیم تا خواص مواد حاصل را بهبود بخشیم؟

از اینرو در مطالعه جدید، سینگ محاسبه کرد که با اعمال فشار قابل توجه، می‌توان هافنیا را در فرم‌های فروالکتریک و ضد فروالکتریک غیرپایدار آن تثبیت کرد - که هر دو برای کاربردهای عملی در فناوری‌های ذخیره‌سازی داده‌ها و انرژی نسل بعدی جذاب هستند. تیمی به رهبری پروفسور جانیس ماسفلد در دانشگاه تنسی ناکسویل نیز آزمایش‌های فشار بالا را انجام دادند و نشان دادند که در فشار پیش‌بینی‌شده، ماده به فاز فراپایدار تبدیل می‌شود و حتی زمانیکه فشار برداشته می‌شود در آنجا باقی می‌ماند که ماسفلد می‌گوید این به عنوان نمونه‌ای عالی از همکاری تجربی-نظری است.

روش جدید فقط به نصف مقدار ایتریوم به عنوان یک تثبیت‌کننده نیاز داشت، در نتیجه کیفیت و خلوص کریستال‌های رشد یافته هافنیا را به طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد. اکنون سینگ می‌گوید که او و دانشمندان دیگر تلاش خواهند کرد تا کمتر و کمتر از ایتریوم استفاده کنند تا زمانیکه راهی برای تولید هافنیای فروالکتریک به صورت فله برای استفاده گسترده بیابند و از آنجاییکه هافنیا به دلیل فروالکتریکی جذابش همچنان توجه فزاینده‌ای را به خود جلب می‌کند، سینگ در جلسه مارس آینده انجمن فیزیک آمریکا در نشست مارس 2024 میلادی یک جلسه با تمرکز بر روی این مواد تشکیل می‌دهد.

منبع