Перпендикулярное переключение поляризации в сегнетоэлектриках: прорыв в энергонезависимой памяти

Ученые из Китая и США совершили прорыв в области сегнетоэлектриков, продемонстрировав возможность переключения поляризации на 90 градусов в тонких пленках оксида гафния и циркония (Hf₀.₅Zr₀.₅O₂). Это открытие, опубликованное в журнале Nature, бросает вызов устоявшимся представлениям и открывает путь к созданию многобитовых ячеек памяти с повышенной плотностью записи. Ранее считалось, что в традиционных сегнетоэлектриках поляризация может переключаться только вдоль одной оси, но новая работа демонстрирует принципиально иной механизм.

Перпендикулярное переключение поляризации в Hf₀.₅Zr₀.₅O₂

Сегнетоэлектрики — это материалы, обладающие спонтанной электрической поляризацией, которую можно переключать внешним электрическим полем. В обычных сегнетоэлектриках, таких как титанат бария-стронция, переключение происходит исключительно вдоль одной оси кристалла. Однако в ультратонких пленках Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ толщиной всего 2–3 нанометра исследователи обнаружили, что поляризация может переключаться не только вдоль, но и перпендикулярно исходному направлению. Этот эффект наблюдается при комнатной температуре и не требует экстремальных условий, что делает его особенно привлекательным для практического применения.

Почему перпендикулярное переключение важно для памяти?

Традиционные сегнетоэлектрические ячейки памяти хранят один бит информации, представляющий одно из двух состояний поляризации. Возможность переключать поляризацию в двух направлениях — вдоль и поперек — позволяет реализовать многобитовые ячейки, где одно устройство хранит более одного бита. Это напрямую увеличивает плотность записи без необходимости уменьшения размеров транзистора, что является ключевым преимуществом для современных полупроводниковых технологий. Кроме того, перпендикулярное переключение может снизить энергопотребление, так как требует меньших напряжений по сравнению с традиционными методами.

Предыстория и контекст

Сегнетоэлектрики на основе оксида гафния привлекли внимание индустрии благодаря совместимости с кремниевой технологией. Они уже используются в прототипах энергонезависимой памяти FeRAM (Ferroelectric RAM) и транзисторах с сегнетоэлектрическим затвором (FeFET). Однако до сих пор считалось, что поляризация в таких материалах может переключаться только между двумя состояниями вдоль одной оси. Открытие перпендикулярного переключения меняет это представление и открывает новые горизонты для разработчиков памяти и логических устройств.

Как это работает?

В обычных сегнетоэлектриках переключение поляризации происходит за счет движения доменных стенок под действием поля. В Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ механизм иной: материал имеет орторомбическую фазу с двумя возможными направлениями поляризации — вдоль оси c и вдоль оси a. Ученые обнаружили, что приложение поля под определенным углом позволяет переключать поляризацию между этими осями, то есть на 90 градусов. Ключевую роль играет толщина пленки: в очень тонких слоях энергия доменных стенок становится сопоставима с энергией анизотропии, что делает перпендикулярное переключение энергетически выгодным.

Технические подробности эксперимента

Для наблюдения эффекта исследователи вырастили эпитаксиальные пленки Hf₀.₅Zr₀.₅O₂ на подложке из La₀.₆₇Sr₀.₃₃MnO₃. С помощью пьезоэлектрической силовой микроскопии (PFM) они визуализировали доменную структуру и подтвердили, что поляризация может переключаться на 90 градусов при приложении импульсов напряжения амплитудой 4–6 В длительностью 10 микросекунд. Переключение оказалось обратимым и стабильным: после 10⁶ циклов не наблюдалось деградации. Работа опубликована в Nature 10 марта 2026 года.

Кого затронет и как

Новая технология может повлиять на разработчиков энергонезависимой памяти и логических устройств. Возможность хранить более одного бита в одной ячейке позволит увеличить плотность записи без уменьшения размера транзистора. Также перпендикулярное переключение может снизить потребление энергии, так как требует меньших напряжений по сравнению с традиционными методами. В перспективе это может привести к появлению более быстрых и емких чипов для мобильных устройств и IoT. Российские исследователи из МФТИ и СПбГУ уже проявили интерес к технологии, но пока не опубликовали собственных результатов.

Что будет дальше

Следующим шагом станет демонстрация многобитовой ячейки памяти на основе перпендикулярного переключения. Также необходимо изучить влияние температуры и дефектов на стабильность состояний. Если результаты подтвердятся в промышленных масштабах, можно ожидать появления коммерческих прототипов в течение 3–5 лет. Параллельно ведутся поиски других материалов с аналогичными свойствами.

Итог

Открытие перпендикулярного переключения поляризации в слоистых сегнетоэлектриках меняет фундаментальное понимание работы этих материалов. Оно обещает значительный прогресс в области энергонезависимой памяти и может стать основой для нового класса электронных устройств.