Ferro-elektrisch materiaal op een siliciumchip is de droom van elke geheugenchip-fabrikant. Het materiaal maakt de geheugenchip namelijk razendsnel. Daarnaast vergt ferro-elektrisch geheugen heel weinig elektriciteit om te beschrijven. Ook blijft de data bewaard als de stroom uitvalt. Uiteindelijk kan je met zo’n ferro-elektrische geheugenchip een computer bouwen die binnen een enkele seconde opstart.

Dit is een ferro-elektrisch kristal. Zodra er een elektrisch veld op komt beweegt het middelste atoom naar een andere positie. Dit is de 0- of 1-stand van het kristal. Omdat een computergeheugen bestaat uit een verzameling nullen en enen is het mogelijk om gegevens in zo’n kristal op te slaan.

Helaas is het onmogelijk om ferro-elektrische materialen te combineren met halfgeleiderchips, de bouwstenen van elke computer. Tot nu. Want wetenschappers van de Cornell universiteit plakten kristallen van het ferro-elektrische strontium titanaat (SrTiO₃) tussen twee plakjes silicium, het materiaal waar ze halfgeleiders van maken. Deze combinatie brengt ferro-elektrisch materiaal eindelijk dicht genoeg bij de rest van de computer om te gaan denken aan een werkend ferro-elektrisch geheugen.

Standjes

Zet een elektrisch veld op het SrTiO₃ en er gebeurt normaal gesproken helemaal niks. Maar de onderzoekers ontdekten dat een laagje SrTiO₃ van slechts enkele atomen dik ferro-elektrisch wordt als je het spul heel precies tussen twee plakken silicium perst. Dan beweegt het titaan-atoom ineens wel in een elektrisch veld. Ken nu aan de twee standjes van het atoom de waardes nul en één toe, en je hebt je geheugenchip. Omdat het titaan-atoom niet wordt gehinderd door andere atomen werkt zo’n geheugen razendsnel. Een computer met een ferro-elektrisch geheugen start dan ook binnen een seconde helemaal op.

Een microscoopfoto van de combinatie strontium titanaat en silicium. De verschillende SrTiO₃ kristallen zijn met een hoek van 45^o op elkaar gestapeld.

Science

Hybride

Deze ontdekking is het resultaat van vijftig jaar werk. De razendsnelle computer is dan ook niet morgen al af. Zo moeten de onderzoekers een manier vinden om het strontium titanaat en silicium zo te koppelen dat de elektrische geleiding groot genoeg is. Maar er zijn plannen genoeg. “We denken over verschillende hybride transistors met ferro-elektrische materialen”, zegt materiaalwetenschapper Darrell Schlom van Cornell. “Door ferro-elektrisch materiaal direct op silicium aan te brengen worden deze ideeën langzaam werkelijkheid.”

Lees meer op Kennislink:

• Ultragoedkoop plastic geheugen
• Fascinerende materie
• Magnetische geheugenchips