探索极薄二氧化铪的特性

二氧化铪(称为hafina)的化学性质相当乏味。然而，基于这种材料的超薄层的行为非常有趣：它们可以通过用电场切换偶极子来用作非易失性计算机存储器。

由于偶极子强度取决于电场的历史，因此它适用于为“类脑”计算机架构构建忆阻器。格罗宁根大学功能纳米材料教授BeatrizNoheda研究了这种材料，最近为《自然材料》杂志撰写了一篇关于其特性的Perspective文章。“它已经被用于设备中，尽管我们并不了解所有的物理原理。”

要创建更高效​​的计算机，需要快速的非易失性随机存取存储器(RAM)。铁电材料似乎是不错的选择。这些材料由带有偶极子的单元组成，这些偶极子将使用电场一起切换。但是，如果单位数量太少，它们的属性就会崩溃;自发去极化发生在大约90纳米以下。

氧空位

一个例外是哈夫尼亚。“这或多或少是偶然发现的，”BeatrizNoheda说。Hafnia在高温和恶劣环境下非常稳定，传统上用于冶金和化学工程行业。然而，当无定形氧化铪被证明是晶体管中非常有效的栅极绝缘体时，它确实引起了微芯片制造商的注意。Noheda：“通过用氧化铪代替传统的氧化硅，晶体管可以做得更小。”

Noheda对材料的兴趣源于她在格罗宁根认知系统和材料中心(CogniGron)的工作，她是该中心的科学主任。CogniGron的目标是创建一个神经形态计算架构。Hafnia是那里研究的材料之一。“在《科学》杂志2021年发表的一篇论文中，我们描述了开关如何不仅仅通过偶极子发生。我们发现氧空位的移动也发挥了作用，”Noheda说。

可持续的

Hafnia的行为类似于铁电体，但它仅在纳米尺度上保留其特性。Noheda：“铁电体似乎无法成为非常小的非易失性RAM的竞争者，但有了氧化铪，它们现在处于领先地位。”也就是说，似乎铪的行为并不完全像铁电体。“我们需要了解这一点才能充分发挥其潜力，”Noheda说。“而且我相信我们正在到达那里。如前所述，氧空位的移动似乎对其特性至关重要。”

Noheda还指出了另一个应该考虑的概念：纳米粒子的表面能。“相图显示，这些颗粒相对较大的表面积产生了相当于二氧化铪的极高压力，这似乎对这种材料的性能产生了影响。”

这种类型的知识对于寻找其他类似铪的材料非常重要。“铪不是微芯片生产最可持续的选择，因为全球供应量太少。通过寻找具有相似特性的材料，我们可能会找到更好的候选材料。”一种选择可能是锆。

神经形态芯片

寻找可持续的铪替代品可以加速铁电体在RAM存储器中的使用。由于偶极子的强度取决于产生偶极子的电场的历史，因此它将是生产忆阻器的理想材料，它允许介于经典二进制值0和1之间的中间值。

这样的模拟设备可以像我们大脑中的神经元一样工作，并且可以成为神经形态计算机体系结构的候选者。“我们正在研究这种神经形态芯片。但首先，我们必须充分了解二氧化铪和类似材料的物理特性。”