이산화 하프늄(일반적으로 하피나로 알려짐)의 특성은 표면적으로는 눈에 띄지 않는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 이 물질을 초박막 층으로 만들면 매우 흥미로운 특성을 나타냅니다. 전기장의 영향으로 쌍극자를 전환함으로써 이러한 초박막 층을 비휘발성 컴퓨터 메모리로 사용할 수 있습니다. 더욱이 이러한 쌍극자의 강도는 과거에 경험했던 전기장의 영향을 받기 때문에 "뇌와 같은" 컴퓨터 아키텍처를 구축하는 데 사용할 수 있는 멤리스터에 이상적으로 적합합니다.
흐로닝언 대학의 기능성 나노재료 교수인 Beatriz Noheda는 이 물질을 연구했으며 최근 Nature-Materials 잡지에 이 물질의 특성에 대한 전망 기사를 썼습니다. "우리가 모든 물리학을 이해하지는 못하더라도 이미 장치에서 사용되고 있습니다"라고 그녀는 말합니다.
보다 효율적인 컴퓨터를 만들기 위해서는 빠른 비휘발성 RAM(Random Access Memory)이 좋은 후보로 보입니다. 이러한 물질은 전기장의 작용에 따라 집합적으로 전환되는 쌍극자가 있는 셀로 구성됩니다. 그러나 단위 수가 너무 적으면 해당 속성이 손상됩니다. 자발적인 탈분극은 약 90나노미터 이하에서 발생합니다. 예외는
산소 공석인데, 이는 어느 정도 우연히 발견되었다고 Beatriz Noheda는 말합니다. Hafner는 고온 및 열악한 환경에서 매우 안정적이며 전통적으로 금속 및 화학 공학 산업에서 사용되어 왔습니다. 그러나 비정질 Hafner가 트랜지스터에서 매우 효율적인 게이트 절연체임이 입증되자 마이크로칩 제조업체의 관심을 끌었습니다. 기존의 산화규소를 Hafner로 대체하면 트랜지스터를 더 작게 만들 수 있습니다. "
Noheda가 이 자료에 관심을 갖게 된 것은 그녀가 과학 책임자로 있는 흐로닝언의 인지 시스템 및 재료 센터(CogniGron)에서의 작업에서 비롯되었습니다. CogniGron의 목표는 뉴로모픽 컴퓨팅 아키텍처를 만드는 것입니다. Hafnia는 센터에서 연구되는 재료 중 하나입니다." 2021년 사이언스(Science)에 발표된 논문에서 우리는 쌍극자를 통해서만이 아니라 스위칭이 어떻게 발생하는지 설명합니다. 우리는 산소 공석의 움직임도 중요한 역할을 한다는 것을 발견했습니다."라고 Noheda는 말했습니다. 그녀의 경험을 바탕으로 그녀는 Nature Materials의 관점 기사에서 Hafnia에서 배운 교훈을 토론하도록 초대되었습니다.
하프너는 강유전체처럼 거동하지만 나노미터 규모에서만 그 특성을 유지합니다. "강유전체는 초소형 비휘발성 RAM 경쟁에서 탈락한 것처럼 보였지만 지금은 하프니아를 통해 선두에 있습니다." 그럼에도 불구하고, 하프너는 정확히 강유전체처럼 거동하는 것으로 보이지 않으며, 앞서 언급한 것처럼 산소 결손의 이동은 강유전체의 특성에 중요한 것으로 보입니다.
Noheda는 또한 고려해야 할 또 다른 개념인 나노입자의 표면 에너지를 지적했습니다. "상 다이어그램은 이러한 입자의 상대적으로 큰 표면적이 물질의 특성에 영향을 미치는 것으로 보이는 이산화 하프늄에서 매우 높은 압력을 생성한다는 것을 보여줍니다. 이러한 유형의 지식은 하프늄과 유사하게 작용하는 다른 물질을 찾는 데 중요합니다. 전 세계 공급량이 너무 적기 때문에 하프늄은 마이크로칩 생산자가 아닙니다. 제조에서 가장 지속 가능한 옵션입니다. 유사한 특성을 가진 물질을 찾으면 더 나은 후보를 찾을 수 있습니다. "
하프늄에 대한 지속 가능한 대안을 찾는 것은 RAM 메모리에서 강유전체 재료의 사용을 가속화할 수 있습니다. 쌍극자의 강도는 이를 생성한 전기장의 역사에 따라 달라지므로 멤리스터를 생산하는 데 이상적인 재료가 될 것입니다. 이러한 시뮬레이션 장치는 우리 뇌의 뉴런과 유사하게 동작하며 뉴로모픽 컴퓨터 아키텍처의 후보입니다. "우리는 이 뉴로모픽 칩을 개발하기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 하지만 먼저 이산화 하프늄 및 유사 물질의 물리적 특성을 완전히 이해해야 합니다."