Las propiedades del dióxido de hafnio (comúnmente conocido como hafina) pueden parecer anodinas en la superficie. Sin embargo, cuando este material se transforma en capas ultrafinas, muestra propiedades fascinantes: mediante la conmutación de dipolos bajo la influencia de un campo eléctrico, estas capas ultrafinas pueden utilizarse como memoria de ordenador no volátil. Además, debido a que la fuerza de estos dipolos se ve afectada por los campos eléctricos que han experimentado en el pasado, son ideales para memristores, que pueden usarse para construir arquitecturas de computadora "similares a un cerebro".

Esta imagen muestra una impresión artística de la estructura atómica de Haffner. Fuente de la imagen: Reimpreso con autorización de Springer-Nature

Beatriz Noheda, profesora de nanomateriales funcionales en la Universidad de Groningen, ha estudiado este material y recientemente escribió un artículo de perspectiva sobre sus propiedades para la revista Nature-Materials. "Aunque no entendemos toda la física, ya se está utilizando en dispositivos", dice.

Se trata de la profesora de Nanomateriales Funcionales de la Universidad de Groningen en Países Bajos y Cognitiva de Groningen Beatriz Noheda, directora científica del Centro de Sistemas y Materiales. Es la autora principal de un artículo prospectivo sobre ferroeléctricos de óxido de hafnio publicado en Nature Materials. Fuente: Universidad de Groningen.

Para crear computadoras más eficientes, la memoria de acceso aleatorio (RAM) rápida y no volátil parece ser un buen candidato. Estos materiales están compuestos de células con dipolos que cambian colectivamente bajo la acción de un campo eléctrico. Sin embargo, si el número de unidades es demasiado pequeño, sus propiedades se deterioran; La despolarización espontánea ocurre por debajo de aproximadamente 90 nanómetros. La excepción es la vacante de oxígeno

, que fue descubierta más o menos por accidente, dice Beatriz Noheda. Hafner es muy estable en altas temperaturas y ambientes hostiles y se ha utilizado tradicionalmente en las industrias de ingeniería metalúrgica y química. Sin embargo, cuando el Hafner amorfo demostró ser un aislante de puerta muy eficiente en transistores, llamó la atención de los fabricantes de microchips. Reemplazar el óxido de silicio tradicional con Hafner puede hacer que los transistores sean más pequeños. "

El interés de Noheda en este material surge de su trabajo en el Centro de Sistemas y Materiales Cognitivos de Groningen (CogniGron), donde es directora científica. El objetivo de CogniGron es crear arquitecturas informáticas neuromórficas. Hafnia es uno de los materiales estudiados en el centro." En un artículo publicado en Science en 2021, describimos cómo se produce la conmutación no solo a través de dipolos. Descubrimos que el movimiento de las vacantes de oxígeno también influye", dijo Noheda. Basándose en su experiencia, fue invitada a discutir las lecciones aprendidas de Hafnia en un artículo en perspectiva en Nature Materials.

Hafner se comporta como un ferroeléctrico, pero sólo mantiene sus propiedades a escala nanométrica. "Los ferroeléctricos parecían haber abandonado la carrera por la RAM no volátil ultrapequeña, pero con hafnia ahora están a la cabeza." Sin embargo, Hafner no parece comportarse exactamente como un ferroeléctrico y, como se mencionó anteriormente, el movimiento de las vacantes de oxígeno parece ser fundamental para sus propiedades.

Noheda también señaló otro concepto a considerar: la energía superficial de las nanopartículas. "Los diagramas de fases muestran que la superficie relativamente grande de estas partículas crea lo que equivale a presiones extremadamente altas en el dióxido de hafnio, que parece desempeñar un papel en las propiedades del material. Este tipo de conocimiento es importante para encontrar otros materiales que se comporten de manera similar al hafnio. Debido a que el suministro global es demasiado pequeño, el hafnio no es un productor de microchips. La opción más sustentable en la fabricación. Al buscar materiales con propiedades similares, podemos encontrar mejores candidatos. "

Encontrar alternativas sostenibles al hafnio podría acelerar el uso de materiales ferroeléctricos en la memoria RAM. Dado que la fuerza de un dipolo depende de la historia del campo eléctrico que lo creó, sería un material ideal para producir memristores. Estos dispositivos simulados se comportan de manera similar a las neuronas de nuestro cerebro y son candidatos para arquitecturas informáticas neuromórficas. "Estamos trabajando duro para desarrollar este chip neuromórfico. Pero primero debemos comprender completamente las propiedades físicas del dióxido de hafnio y materiales similares".