Forskere har forbedret en eksperimentel hukommelseskomponent ved at ændre, hvordan ultratynde lag af samme materiale ligger oven på hinanden. I et studie offentliggjort i Nature Nanotechnology den 20. oktober rapporterer holdet et forhold mellem tændt og slukket tilstand på cirka 26.000. Det er omtrent ti gange højere end i deres sammenlignelige komponenter med én lagstabling.

Xiaodong Zheng og kolleger arbejder med indiumselenid, In₂Se₃. De fremstiller områder med forskellige stabler af atomlag og forbinder dem i samme materiale. Komponenten er en memristor: en elektronisk enhed, hvor modstanden kan afhænge af tidligere elektrisk påvirkning.

Resultatet giver en ny måde at indstille materialets elektriske egenskaber på. Det er en demonstration på komponentniveau og ikke en offentliggjort computerchip, der allerede kan erstatte hukommelsen i en telefon eller server.

Samme byggesten, forskellig rækkefølge

Forskerne styrer væksten af materialet ved kemisk dampaflejring og fremstiller to stablingsmønstre, betegnet 2H og 3R. De kombinerer atomopløst mikroskopi, optiske undersøgelser og beregninger for at undersøge sammenhængen mellem opbygning og elektrisk polarisering.

Holdet rapporterer desuden lavere spændinger til at skifte mellem tilstandene. Grænsefladerne mellem de forskelligt stablede områder giver mulighed for at ændre ladningsbærernes transport. Det er netop disse overgange inden for samme kemiske materiale, som studiet kalder homojunctions.

En løs sammenligning er en stak kort: Kortene kan være de samme, selv om deres indbyrdes placering ændres. I et krystalmateriale kan ændret placering påvirke de elektriske egenskaber. Sammenligningen forklarer idéen om stabling, men siger ikke i sig selv, hvordan en bestemt atomstruktur opfører sig.

Hvorfor polarisering er interessant for hukommelse

Ferroelektriske materialer har en elektrisk polarisering, der kan omorienteres. Muligheden for at bruge forskellige orienteringer som information har længe gjort dem interessante til hukommelse, som kan bevare data uden en konstant strømforsyning.

Det amerikanske måleinstitut NIST beskrev allerede i 2009 et andet forsøg, hvor en tynd film af strontiumtitanat blev påvirket gennem sin kobling til silicium. Formålet var at ændre materialets egenskaber og undersøge muligheder for blandt andet datalagring. Det ældre arbejde handler om et andet stof og en anden metode, men illustrerer den længere forskningshistorie: Materialets struktur kan være lige så vigtig som dets kemiske navn.

En hukommelsescelle skal kunne bringes i en bestemt tilstand og senere aflæses uden tvivl om, hvilken tilstand den befinder sig i. Det er derfor ikke tilstrækkeligt blot at skabe en elektrisk ændring. Ændringen skal også være kontrollerbar og kunne skelnes fra variationer i målingen.

26.000 er et kontrastmål, ikke computerens hastighed

Forholdet mellem tændt og slukket tilstand beskriver, hvor tydeligt de elektriske tilstande adskiller sig under målebetingelserne. En stor forskel kan gøre det lettere at skelne dem. Tallet siger derimod ikke, at en computer bliver 26.000 gange hurtigere, eller at den kan lagre tilsvarende flere filer.

Memristive komponenter har været undersøgt i mange år. Et forskningsarbejde fra 2008 i Nature Nanotechnology beskrev eksempelvis koblet transport af elektroner og ioner i metal-oxid-metal-enheder. Det er en anden fysisk tilgang end det nye arbejde med lagstabling. Betegnelsen memristor dækker derfor ikke automatisk over én bestemt materialesammensætning eller fremstillingsproces.

Fra en god måling til mange ens komponenter

En praktisk hukommelse stiller flere krav samtidig. Cellerne skal kunne skrives og læses hurtigt, bevare information længe og tåle gentagne skift. De skal også opføre sig tilstrækkeligt ens, når mange af dem fremstilles og kobles sammen.

Lavere skiftespænding er heller ikke alene et mål for hele systemets energiforbrug. Strømmen, pulsernes varighed og elektronikken omkring hukommelsescellen indgår også. Derfor kan man ikke regne en besparelse for en færdig computer ud fra det oplyste spændingsresultat alene.

Det nye studie føjer lagstabling til de værktøjer, forskere kan bruge til at udvikle komponenter. Om tilgangen bliver nyttig i større kredsløb, afhænger af videre afprøvning og fremstilling. Indtil da er det konkrete fremskridt en kontrolleret strukturændring med en målbar elektrisk virkning.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.