Ферроэлектрики научились выдерживать более 10 миллиардов циклов перезаписи 11.10.2026

Энергонезависимая память должна не только быстро записывать и сохранять информацию без постоянного питания, но и выдерживать огромное количество циклов перезаписи. Одним из перспективных вариантов такой технологии считаются ферроэлектрические материалы, однако их практическое применение долгое время ограничивалось сравнительно быстрым разрушением. Исследователям удалось установить механизм этого процесса на атомном уровне и предложить способ, который значительно увеличивает срок службы таких материалов.

Работу выполнила группа ученых из Университета электронной науки и техники Сианя (Xidian University) совместно с коллегами из Гонконгского университета и Фуданского университета. Особый интерес специалистов вызвали ферроэлектрики со структурой вюрцита, в частности нитрид алюминия-скандия (AlScN). Эти материалы способны сохранять информацию благодаря изменению направления электрической поляризации на атомном уровне и хорошо совместимы с современными технологиями производства микросхем. Однако традиционные устройства на их основе обычно выдерживают лишь около 100 миллионов циклов перезаписи.

До сих пор исследователи фиксировали признаки постепенного ухудшения характеристик, включая увеличение утечки тока и потерю ферроэлектрических свойств, но последовательность событий, происходящих внутри материала под воздействием многократного электрического поля, оставалась недостаточно понятной. Команда профессоров Хан Генцюань и Чжоу Цзюжэнь решила проследить этот процесс непосредственно на атомном уровне. Для этого ученые объединили анализ электрической проводимости, электронную дифракционную микроскопию, спектроскопию потерь энергии электронов, анализ геометрических фазовых деформаций и первичные вычисления, сосредоточив внимание на вакансиях азота (nitrogen vacancies) - дефектах кристаллической структуры, возникающих в местах отсутствующих атомов азота.

Оказалось, что циклическое электрическое поле заставляет вакансии азота постоянно перераспределяться, объединяться в локальные скопления и мигрировать на значительные расстояния. Такое движение дефектов запускает сразу два механизма деградации. Дальняя миграция вакансий может привести к формированию проводящих каналов, проходящих через всю толщину тонкой пленки, что в конечном итоге вызывает так называемый жесткий пробой. Одновременно локальная перестройка вакансий вместе с изменениями кристаллической решетки, связанными с поляризацией, постепенно ослабляет электрический сигнал, используемый для хранения информации.

Понимание этого механизма позволило специалистам предложить новую концепцию, получившую название "топологическая стабилизация вакансий азота" (nitrogen vacancy topology stabilization). Для управления дефектами был разработан двумерный подход, объединяющий пространственный и энергетический контроль. В первом случае исследователи создали сверхрешетчатые структуры из чередующихся слоев нитрида алюминия-скандия и нитрида алюминия (AlScN/AlN). Периодические слои AlN выполняют роль своеобразных барьеров, препятствующих дальнейшей миграции вакансий азота через толщину пленки.

Второй элемент стратегии связан с энергетическим управлением. Ученые применили методы динамического восстановления, которые способствуют перераспределению уже сформировавшихся локальных скоплений вакансий. Совместное действие двух механизмов позволяет сохранять более стабильную пространственную конфигурацию дефектов даже при длительном воздействии электрического поля. Таким образом, разработчики не устраняют вакансии азота полностью, а контролируют их перемещение и расположение внутри материала.

Испытания показали впечатляющий результат: созданные по этой технологии сверхрешетчатые структуры выдержали более 10 млрд циклов, сохранив при этом полную поляризацию. Это примерно в 100 раз превышает прежние показатели долговечности. Даже после 1 миллиарда циклов потеря сигнала памяти оставалась в пределах 3%. Профессор Чжоу Цзюжэнь отметил, что прежде увеличение срока службы в основном достигалось за счет изменения состава материала или корректировки технологических параметров, тогда как теперь понимание микроскопического механизма деградации позволяет целенаправленно управлять дефектами. По его мнению, предложенная концепция потенциально применима и к другим ферроэлектрическим материалам со структурой вюрцита.