Celule de memorie multibit protejate prin simetrie ferroelectrică Rapoarte științifice
Subiecte
Abstract
Tunabilitatea polarizării electrice în feroelectrice este esențială pentru aplicațiile lor în dispozitivele de stocare a informațiilor. Celulele de memorie feroelectrice existente se bazează pe capacitatea de stocare pe două niveluri cu logica binară standard. Cu toate acestea, acestea din urmă și-au atins limitele fundamentale. Aici propunem celule feroelectrice multibit (FMBC) utilizând capacitatea materialelor feroelectrice multiaxiale de a fixa polarizarea la o secvență a stărilor multistabile. Folosind principiile teoriei catastrofelor, arătăm că aceste stări sunt protejate de simetrie împotriva pierderii informațiilor și realizează astfel o nouă memorie de acces controlată topologic (TAM). Descoperirile noastre permit dezvoltarea unei platforme pentru tehnologia informației non-booleene cu numeroase valori și ținta provocărilor ridicate de nevoile de calcul cuantic și neuromorf.
Introducere
Rezultate
Histerezis multibit
(A) Schița configurării experimentale și a axelor de coordonate (xyz). Celula feroelectrică (portocalie) este cultivată pe substrat (albastru) și este intercalată între cei doi electrozi (verde). Câmpul electric produs de tensiune operează orientarea polarizării. () și (C) c-fază posedând două stări stabile, c + și c - a vectorului de polarizare, . (D) la (F) aa-fază având o stare stabilă, A, și permițând două stări metastabile suplimentare, c + și c - de . (G) la (.) r-fază posedând două stări stabile, r + și r -, și permițând două stări metastabile suplimentare, c + și c - de . Sub-panourile inferioare afișează pozițiile stărilor de polarizare corespunzătoare în minimele reliefului energetic (sfere galbene) și numerele cuantice logice respective (loq).
Comutarea polarizării între diferite întrebări, prin urmare operarea FMBC, se realizează prin aplicarea și apoi variația câmpului electric aliniat în z, E, indusă de electrozi. O foaie de parcurs operațională exemplară pentru r-faza este prezentată în Fig. 2. Se începe cu polizarea completă a FMBC către orientarea în sus c + stat. Scăderea treptată a câmpului aplicat de la maxim Em > 0 la minim -Em (Fig. 2A) rotește vectorul de polarizare de la orientat în sus c + stat la orientat în jos c - starea 17.18. Câmpul înapoi ia invers la stat c + (Fig. 2B).
Model
Descrierea filmului feroelectric de perovskit cu tensiune uniaxială se bazează pe minimizarea funcționalității Landau-Devonshire (LDF) scrisă într-o formă propusă în ref. 15
unde coeficienții de ordinul doi și depind de tulpina nepotrivită tum și temperatura T, iar coeficienții de ordinul 4 respectă condițiile de simetrie tetragonală. Coeficienții de ordinul 6 conservă simetria cubică, A111 = A222 = A333, A112 = A113 = A223. Ultimul termen din (1) prezintă interacțiunea polarizării cu câmpul electric. Forma standard extinsă a LDF (1) și expresia derivată din aceasta sunt prezentate în secțiunea Metode.
Peisaj energetic, bifurcații și catastrofe
Dinamica de comutare în PbTiO3
Dinamica procesului de comutare este descrisă de o soluție numerică a ecuațiilor Landau-Khalatnikov dependente de timp, au fost Leu sunt coeficienții de amortizare. Fie ca sistemul să fie la o anumită loq inițială arbitrară. La întoarcerea treptată a câmpului electric, polarizarea (t) urmează cvasi-static variabilul E (t) și se deplasează de-a lungul ramurii de histerezis corespunzătoare. Pe măsură ce se atinge punctul critic non-Morse, apare instabilitatea și sistemul cade într-o altă stare situată la diferita ramură de histerezis. Această stare finală este determinată de simulările dependente de timp. În plus, oprirea câmpului permite sistemului să alunece de-a lungul noii ramuri de histerezis și încheie trecerea sistemului la un nou loq.
Regiunile de fundal pentru paraelectric și feroelectric (c, r, aa) fazele sunt cele calculate cu 15 și prezentate în Fig. 1 (B) din lucrarea respectivă. Linia albă groasă corespunde tranziției de prima ordine între aceste faze, iar liniile subțiri reprezintă tranzițiile de ordinul doi. Domeniile corespunzătoare diferitelor regimuri de comutare sunt afișate ca sectoare de culoare. Inserțiile afișează bucle de histerezis topologic diferite de 4 stări calculate care se realizează la temperatura camerei (temperatura camerei este marcată de linia galbenă punctată). Bucla V corespunde celor 4 loqs (2 biți) FMBC complet comutabile prezentate în Fig. 2; bucla I afișează FMBC cu 4 loqs în care sunt ascunse 2 loqs; bucla VII arată 2-loqs FMBC în care există două stări suplimentare doar în câmpul diferit de zero.
Topologia comutării multibit
Inserții în Fig. 3 prezintă exemple reprezentative ale buclelor de histerezis, corespunzătoare fazelor I, V și VII, derivate din analiza teoriei catastrofelor a LDF (1) și a simulărilor dependente de timp descrise mai sus. Aceste bucle topologic diferite sunt realizate în r−regiunea de fază la temperatura camerei și la diferite tensiuni de întindere. Începem cu descrierea buclelor 4-loqs. Bucla de histerezis de tip V, care ocupă intervalul de deformare relativ mare, este deja prezentată în Fig. 2 și discutat mai sus ca o configurație tipică 4-loqs.
Bucla de tip I are, de asemenea, 4 întrebări, dar două dintre ele corespund r + și r - stările, | +1) și | −1), sunt ascunse pentru comutarea repetitivă. Odată ce polarizarea le-a părăsit, nu se poate întoarce înapoi prin variația câmpului. Cu toate acestea, este posibil să se atingă aceste stări stabile prin repornirea termică a sistemului, încălzindu-l până la faza paraelectrică și apoi răcindu-l înapoi la câmpul zero. Acest proces reprezintă ceea ce numim bucle de memorie ascunse-loq. În cele din urmă, bucla VII are doar două loqs-uri stabile, | +1) și | −1) la E = 0 (stări r + și r -), în timp ce alte două state comutabile, c + și c -, există doar la câmpuri finite.