Слоистая память выдержала более 100 миллиардов переключений

Память должна четко различать электрические состояния, сохранять их без постоянного питания и выдерживать многократную перезапись. Юэ Ван и коллеги создали экспериментальный переход, выдержавший более 100 миллиардов циклов переключения. Опубликованное в Science устройство меняло состояние импульсами длительностью 13 наносекунд с расчетной энергией 6,5 фемтоджоуля на импульс, то есть 6,5×10⁻¹⁵ джоуля.

Конструкция складывается из атомарно тонких материалов: ромбоэдрического дисульфида молибдена, гексагонального нитрида бора, однослойного графена и хрома. Листы образуют ван-дер-ваальсову гетероструктуру — слои, удерживаемые относительно слабыми межатомными силами. Напряжение не перемещает ионы внутри толстого кристалла, а слегка сдвигает соседние слои. Новое положение меняет поляризацию, коллективную ориентацию зарядов, и сохраняется после окончания импульса.

Для чтения состояния небольшую перестройку нужно превратить в разницу токов. Электроны пересекают тонкий барьер благодаря квантовому туннелированию: частица может оказаться за барьером, который не преодолела бы в классической физике. Архитектура объединяет два изменения: поляризация меняет высоту барьера и концентрацию носителей заряда. Согласно аннотации статьи, совместный эффект дал коэффициент туннельного электросопротивления свыше 10 миллионов.

В состоянии высокой проводимости плотность тока достигла 222 ампер на квадратный сантиметр при 0,5 вольта. Такое широкое окно чтения отвечает на известную слабость скользящих сегнетоэлектриков: листы переносят повторения благодаря малому трению, но их поляризация намного меньше, чем у обычных сегнетоэлектриков, и обычно создает слабый сигнал. Команда превратила этот сигнал в измеримый контраст, не добавляя третий вывод.

Отдельная работа Синьюя Люя и коллег, опубликованная 1 сентября в Chinese Physics B, помогает понять общий механизм. В расчетах для скрученного гексагонального нитрида бора на электроде из диселенида молибдена поляризация сдвинула края энергетических зон примерно на 0,2 электронвольта, а модель предсказала коэффициент электросопротивления около 100. В той иной системе усиление определяла плотность состояний электрода, а не только туннельный барьер. Работа не повторяет устройство из Science, но независимо показывает, как малая поляризация может управлять большим сигналом чтения.

Числа ставят новый переход в ряд перспективных прототипов энергоэффективной энергонезависимой памяти. Однако это еще не готовая к производству память: аннотация первичной статьи не сообщает выход годных в больших массивах, удержание данных годами или интеграцию с промышленными схемами. Продемонстрирован вклад на уровне физики и устройства: быстрое переключение, низкая расчетная энергия, читаемый ток и исключительная циклическая выносливость испытанного образца. Следующая решающая проверка — сохранить все четыре свойства при изготовлении и соединении миллионов ячеек.