二酸化ハフニウム (一般にハフィナとして知られている) の特性は、表面的には目立たないように見えるかもしれません。しかし、この材料を超薄層にすると、興味深い特性を示します。電場の影響下で双極子を切り替えることにより、このような超薄層を不揮発性コンピュータメモリとして使用できます。さらに、これらの双極子の強度は過去に経験した電場に影響されるため、「脳のような」コンピューター アーキテクチャの構築に使用できるメモリスタに最適です。
フローニンゲン大学の機能性ナノ材料教授であるビアトリス・ノヘダ氏は、この材料を研究しており、最近その特性に関する展望記事を雑誌「Nature Materials」に執筆しました。 「私たちがすべての物理学を理解しているわけではありませんが、それはすでにデバイスに応用されています」と彼女は言いました。
より効率的なコンピュータを作成するには、高速な不揮発性ランダム アクセス メモリ (RAM) が必要です。強誘電体材料が良い候補と思われます。これらの材料は、電場の影響下で集合的に切り替わる双極子を備えたユニットで構成されています。ただし、セルの数が少なすぎると、その特性が崩れます。自発的脱分極は約 90 ナノメートル以下で発生します。
酸素欠損は例外です。ベアトリス・ノヘダ氏は、「これは多かれ少なかれ偶然に発見された。ハフナーは高温や過酷な環境で非常に安定しており、冶金産業や化学工学産業で伝統的に使用されてきた。しかし、アモルファスハフナーがトランジスタの非常に効率的なゲート絶縁体であることが判明すると、マイクロチップメーカーの注目を集めた。従来の酸化シリコンをハフナーに置き換えることで、トランジスタを小型化できる。」と述べた。
ノヘダさんのこの物質への関心は、彼女が科学ディレクターを務めるフローニンゲン認知システム材料センター (CogniGron) での仕事に由来しています。 CogniGron の目標は、ニューロモーフィック コンピューティング アーキテクチャを作成することです。ハフニアは同センターで研究されている物質の一つ。 「2021年に『Science』誌に掲載された論文では、双極子だけを介してだけでなくスイッチングがどのように起こるかを説明した。酸素空孔の移動も役割を果たしていることがわかった」と野辺田氏は述べた。彼女は、その経験に基づいて、Nature Materials の展望記事でハフニアから学んだ教訓について議論するよう招待されました。
ハフナーは強誘電体のように動作しますが、その特性はナノメートルスケールでのみ維持されます。 「強誘電体は、超小型不揮発性RAMの競争から脱落したかに見えましたが、ハフニアによって現在はリードしています。」それにもかかわらず、ハフナーは強誘電体とまったく同じように振る舞うわけではないようで、前述したように、酸素空孔の動きがその特性にとって重要であるようです。
野辺田氏は、考慮すべきもう 1 つの概念、ナノ粒子の表面エネルギーについても指摘しています。 「状態図は、これらの粒子の比較的大きな表面積が二酸化ハフニウム内で非常に高い圧力に相当するものを生成することを示しており、これがこの材料の特性に役割を果たしているようです。この種の知識は、ハフニウムと同様に動作する他の材料を見つけるために重要です。世界的な供給量が非常に少ないため、ハフニウムはマイクロチップ製造にとって最も持続可能な選択肢ではありません。同様の特性を持つ材料を探すことで、より良い候補が見つかる可能性があります。ジルコニウムはそのような選択肢の1つです。」
ハフニウムに代わる持続可能な材料が見つかれば、RAM メモリにおける強誘電体材料の使用が加速する可能性があります。双極子の強さはそれを生み出した電場の歴史に依存するため、双極子はメモリスタを製造するのに理想的な材料となります。このようなシミュレートされたデバイスは、私たちの脳内のニューロンと同様に動作し、ニューロモーフィック コンピューター アーキテクチャの候補となります。 「私たちはこのニューロモーフィックチップの開発に懸命に取り組んでいます。しかしその前に、二酸化ハフニウムや同様の材料の物理的特性を完全に理解する必要があります。」