Ультратонкие пленки, преодолевающие эффект "мертвого слоя", могут стать основой для создания энергоэффективных микрочипов для искусственного интеллекта

Мультиферроики - многообещающий класс материалов для изготовления компьютерных чипов и других электронных компонентов, которые могут работать при гораздо меньшей мощности, чем современные устройства. Материалы обладают сочетанием электрических и магнитных свойств, которыми можно управлять одновременно при относительно небольшом электрическом напряжении.

Инженеры надеются, что мультиферроики помогут снизить энергетическую нагрузку, связанную с развитием искусственного интеллекта, но существует проблема, известная как эффект "мертвого слоя": когда эти материалы становятся достаточно тонкими для использования в компьютерных чипах, они теряют электрические и магнитные свойства, которые делают их такими интересными.

Теперь команда исследователей из Университета Брауна разработала методику изготовления тонких пленок мультиферроического феррита висмута, которые сохраняют свои ключевые свойства и обладают некоторыми новыми свойствами, которые делают их еще более полезными.

"Мы установили, что можем избавиться от мертвого слоя", - сказал Лукас Каретта, доцент инженерного факультета Брауна, который руководил работой. "Мы показываем, что вы можете сделать этот материал практически таким тонким, каким захотите — до нескольких ангстрем — и он по-прежнему будет сегнетоэлектрическим и магнитным".

Исследование опубликовано в Nature Materials.

Интерес к мультиферроидным материалам обусловлен их взаимосвязанными электрическими и магнитными свойствами. Каждая элементарная ячейка атомной решетки материала электрически поляризована, что означает, что положительные и отрицательные заряды располагаются на противоположных сторонах ячейки. Эта электрическая поляризация может быть изменена — то есть положительный и отрицательный заряды меняются местами — путем подачи небольшого напряжения на элемент. Это означает, что можно кодировать двоичные данные (единицы и нули), манипулируя состояниями поляризации, что можно сделать с помощью маломощных импульсов напряжения.

А поскольку магнитные свойства материала связаны с электрическими свойствами, данные можно считывать с помощью магнитного поля, создавая память или логическое устройство со сверхнизким энергопотреблением.

Однако исторически сложилось так, что явление мертвого слоя нарушало все договоренности. Для встраивания в компьютерный чип мультиферроидный материал должен быть исключительно тонким. Но при малой толщине возникают две проблемы: атомная решетка материала теряет физическую форму и химический состав, необходимые для функционирования, а внутренние электрические поля подавляют его электрическую поляризацию. В совокупности эти двойные повреждения приводят к тому, что материал полностью теряет как сегнетоэлектрические, так и магнитные свойства, отсюда и так называемый мертвый слой.

The Brown team's solution is a new way of fabricating bismuth ferrite, a widely studied multiferroic. The researchers grew the bismuth ferrite film on a substrate made from dysprosium scandate, a rare-earth-derived material with a crystalline structure that's narrower than that of bismuth ferrite. That lattice mismatch creates a compressive strain on the bismuth ferrite, which helps to maintain its functional atomic lattice structure.

Meanwhile, a second metallic layer helps to take up stray electric fields, which maintains electrical polarization in the bismuth ferrite layer. The result is a bismuth ferrite film that not only retains its functional multiferroic properties but has enhanced magnetic properties.

The researchers showed that the stacked structure causes the bismuth ferrite layer to become an altermagnet—a kind of hybrid between a ferromagnet and an antiferromagnet.

"Ferromagnets are useful for memory and logic because they produce strong magnetic signals that are easy to read out," Caretta said. "The challenge is that they are relatively slow, and their stray magnetic fields make it difficult to pack devices densely on a chip without interference. Antiferromagnets can operate much faster and avoid those stray fields, but their signals are much harder to detect. Altermagnets are kind of the best of both worlds—they can be fast, densely integrated and still provide a strong electrical signal for readout."

Caretta says he's hopeful that the results are a step toward bringing multiferroics into play as components in low-power computing.

"We know the underlying properties are already there in the bulk materials," Caretta said. "The trick is learning how to engineer them into a form that's useful—and sometimes even better than what nature gives us."