Открыт странный полупроводник, который потребляет в миллиард меньше энергии

Исследователи говорят: благодаря селениду индия (In2Se3) им удалось совершить скачок в производстве универсальной памяти с фазовым переходом (PCM). Уникальный материал позволяет сохранять данные без постоянного источника питания до миллиарда раз!


Это открывает путь устройствам памяти и электронике, которые будут потреблять мизерное количество электричества. Статья об этом была опубликована в журнале Nature 6 ноября 2024 года.

Память будущего

Но для начала немного теории. Память с фазовым переходом (Phase Change Memory, PCM) — технология, которая позволяет сохранять данные даже после отключения питания. То есть она является энергонезависимой.

По мнению многих специалистов, PCM — это главный кандидат на замену существующих типов памяти, таких как оперативная память (ОЗУ) и устройств долговременного хранения данных, вроде SSD-накопителей или жестких дисков.



Оперативная память работает очень быстро, обеспечивая высокую скорость доступа к данным. Но у ОЗУ есть огромный минус: она требует постоянного источника питания, иначе данные теряются. Кроме того, оперативная память физически занимает много места.

Твердотельные накопители (SSD) и жесткие диски хранят данные даже при отсутствии питания. Они компактны, им нужно меньше места. Но скорость работы у них, увы, небыстрая, особенно в операциях записи/чтения.

Как работает PCM? Универсальная память хранит информацию, изменяя состояние материала между двумя фазами. Состояние № 1 (кристаллическое) — атомы располагаются упорядочено. Состояние № 2 (аморфное) — атомы располагаются хаотично. Два состояния представляют собой логические единицы («1») и нули («0»). Это позволяет записывать и считывать данные.

Для изменения состояний используется метод, называемый «плавление и закалка». Данный способ предполагает нагревание материала до высокой температуры, чтобы перевести полупроводник в аморфное состояние, а затем резко охладить для фиксации этой фазы. Это рабочий подход, однако он требует огромного количества энергии. Именно поэтому универсальная память до сих пор не используется в массовом порядке.

Все вышло случайно

Но, похоже, что универсальной памяти все-таки включили зеленый свет. Исследователи из Penn Engineering (технологическая компания, Пенсильвания, США) нашли материал, способный стать основой для производства PCM. Правда, открытие произошло совершенно случайным образом.

Ученые работали с селенидом индия, полупроводником, который одновременно обладает пьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами.



Небольшое пояснение. Пьезоэлектрики — это материалы, которые меняют свою форму под действием электрического поля, сжимаются или растягиваются.

Сегнетоэлектрики — материалы, способные самостоятельно создавать внутреннее электрическое поле даже без воздействия внешних зарядов. Это интересное свойство связано с тем, что атомы внутри кристаллической решетки сегнетоэлектриков упорядочиваются, таким образом создавая поляризацию.

Проводя опыты с селенидом индия, ученые вдруг заметили, что при воздействии постоянного тока участки полупроводника стали аморфными.


— Гаурав Моди, инженер-материаловед Penn Engineering.

Это будет прорыв

По словам ученых, под воздействием электрического тока внутри полупроводникового материала происходит сложный процесс. Когда через полупроводник проходит электрический ток, он может вызывать небольшие изменения структуры материала. Они проявляются в виде микроскопических смещений атомов или молекул.

В результате этих изменений возникает звуковая волна, которая называется акустическим рывком. Кстати, это очень похоже на сейсмические волны, возникающие при землетрясениях, когда смещается земная кора.

Акустическая волна начинает двигаться по материалу, вызывая дальнейшие изменения в структуре. Этот процесс напоминает лавину, где одно событие запускает серию других событий, усиливающихся со временем.

По мере распространения волны некоторые области материала переходят в аморфное состояние. Физики говорят, что аморфное вещество отличается от кристаллического отсутствием упорядоченной структуры. Например, стекло — это аморфное вещество.



Таким образом, обладая двухмерной структурой, а также сегнето- и пьезоэлектрическими свойствами, селенид индия способен принимать аморфное состояние при сверхнизких энергетических затратах. На практике это может означать мощный прорыв в производстве энергоэффективных электронных устройств. Например, на основе In2Se3 можно создавать наноматериалы для фотонных технологий (датчики света, лазеры) или устройства для хранения данных с низким энергопотреблением.

Также это означает, что с развитием данной технологии появятся совершенно новые типы миниатюрных устройств. Они будут потреблять заметно меньше энергии, но при этом обладать высокой производительностью.