Les propriétés du dioxyde de hafnium (communément appelé hafina) peuvent sembler anodines en surface. Cependant, lorsque ce matériau est transformé en couches ultra-minces, il présente des propriétés fascinantes : en commutant les dipôles sous l'influence d'un champ électrique, ces couches ultra-minces peuvent être utilisées comme mémoire informatique non volatile. De plus, comme la force de ces dipôles est affectée par les champs électriques qu'ils ont subis dans le passé, ils conviennent parfaitement aux memristors, qui peuvent être utilisés pour construire des architectures informatiques « de type cerveau ».
Beatriz Noheda, professeur de nanomatériaux fonctionnels à l'Université de Groningue, a étudié ce matériau et a récemment écrit un article en perspective sur ses propriétés pour le magazine Nature-Materials. "Même si nous ne comprenons pas toute la physique, elle est déjà utilisée dans des appareils", dit-elle.
Pour créer des ordinateurs plus efficaces, la mémoire vive non volatile (RAM) rapide semble être un bon candidat. Ces matériaux sont composés de cellules dotées de dipôles qui commutent collectivement sous l'action d'un champ électrique. Cependant, si le nombre d’unités est trop petit, leurs propriétés s’effondrent ; la dépolarisation spontanée se produit en dessous d'environ 90 nanomètres. L'exception est la lacune en oxygène
, qui a été découverte plus ou moins par hasard, explique Beatriz Noheda. Hafner est très stable aux températures élevées et dans les environnements difficiles et est traditionnellement utilisé dans les industries métallurgiques et chimiques. Cependant, lorsque le Hafner amorphe s'est révélé être un isolant de grille très efficace dans les transistors, il a attiré l'attention des fabricants de puces électroniques. Le remplacement de l'oxyde de silicium traditionnel par Hafner peut réduire la taille des transistors. "
L'intérêt de Noheda pour ce matériau vient de son travail au Centre des systèmes et matériaux cognitifs de Groningue (CogniGron), où elle est directrice scientifique. L'objectif de CogniGron est de créer des architectures informatiques neuromorphiques. Hafnia est l'un des matériaux étudiés au centre." Dans un article publié dans Science en 2021, nous décrivons comment la commutation ne se produit pas uniquement via les dipôles. Nous avons constaté que le mouvement des postes vacants d'oxygène joue également un rôle", a déclaré Noheda. Sur la base de son expérience, elle a été invitée à discuter des leçons apprises de Hafnia dans un article de perspective dans Nature Materials.
Hafner se comporte comme un ferroélectrique, mais il ne conserve ses propriétés qu'à l'échelle nanométrique. "Les ferroélectriques semblent avoir abandonné la course à la RAM non volatile ultra-petite, mais avec Hafnia, ils sont désormais en tête." Néanmoins, Hafner ne semble pas se comporter exactement comme un ferroélectrique et, comme mentionné précédemment, le mouvement des lacunes en oxygène semble être essentiel à ses propriétés.
Noheda a également souligné un autre concept à considérer : l'énergie de surface des nanoparticules. « Les diagrammes de phases montrent que la surface relativement grande de ces particules crée des pressions extrêmement élevées dans le dioxyde de hafnium, qui semblent jouer un rôle dans les propriétés du matériau. "
Trouver des alternatives durables au hafnium pourrait accélérer l'utilisation de matériaux ferroélectriques dans la mémoire RAM. Puisque la force d’un dipôle dépend de l’histoire du champ électrique qui l’a créé, ce serait un matériau idéal pour produire des memristors. De tels dispositifs simulés se comportent de la même manière que les neurones de notre cerveau et sont candidats aux architectures informatiques neuromorphiques. "Nous travaillons dur pour développer cette puce neuromorphique. Mais d'abord, nous devons bien comprendre les propriétés physiques du dioxyde de hafnium et des matériaux similaires."