Para ilmuwan memajukan penggunaan hafnium oksida (hafnia) untuk memori komputasi non-volatil generasi mendatang, sehingga menawarkan keunggulan signifikan dibandingkan teknologi yang sudah ada. Kredit: SciTechDaily.com
Para ilmuwan menguraikan proses baru untuk memanfaatkan fitur feroelektrik hafnia dengan tujuan meningkatkan komputasi kinerja tinggi.
Para ilmuwan dan insinyur selama dekade terakhir telah berupaya memanfaatkan bahan feroelektrik yang sulit dipahami yang disebut hafnium oksida, atau hafnia, untuk menghasilkan memori komputasi generasi berikutnya. Sebuah tim peneliti termasuk Sobhit Singh dari Universitas Rochester menerbitkan a Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional studi yang menguraikan kemajuan dalam membuat hafnia feroelektrik dan antiferroelektrik massal tersedia untuk digunakan dalam berbagai aplikasi.
Dalam fase kristal tertentu, hafnia menunjukkan sifat feroelektrik—yaitu, polarisasi listrik yang dapat diubah ke satu arah atau lainnya dengan menerapkan medan listrik eksternal. Fitur ini dapat dimanfaatkan dalam teknologi penyimpanan data. Saat digunakan dalam komputasi, memori feroelektrik memiliki keunggulan non-volatilitas, yang berarti memori tersebut tetap mempertahankan nilainya bahkan ketika daya dimatikan, salah satu dari beberapa keunggulan dibandingkan sebagian besar jenis memori yang digunakan saat ini.
Dalam fase kristal tertentu, hafnium oksida, atau hafnia, menunjukkan sifat feroelektrik yang telah coba dieksploitasi oleh para ilmuwan selama bertahun-tahun. Para ahli teori di Universitas Rochester membantu mengambil langkah penting menuju pembuatan hafnia feroelektrik dan antiferroelektrik dalam jumlah besar untuk digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk komputasi kinerja tinggi. Kredit: Ilustrasi Universitas Rochester / Michael Osadciw
Potensi Memori Feroelektrik
“Hafnia merupakan bahan yang sangat menarik karena penerapan praktisnya dalam teknologi komputer, khususnya untuk penyimpanan data,” kata Singh, asisten profesor di Departemen Teknik Mesin. “Saat ini, untuk menyimpan data kita menggunakan bentuk memori magnetik yang lambat, memerlukan banyak energi untuk beroperasi, dan tidak terlalu efisien. Bentuk memori feroelektrik kuat, sangat cepat, lebih murah untuk diproduksi, dan lebih hemat energi.”
Namun Singh, yang melakukan perhitungan teoretis untuk memprediksi sifat material pada tingkat kuantum, mengatakan bahwa hafnia massal bukanlah feroelektrik dalam keadaan dasarnya. Hingga saat ini, para ilmuwan hanya bisa mendapatkan hafnia ke keadaan feroelektrik metastabil ketika menyaringnya sebagai film tipis dua dimensi dengan ketebalan nanometer.
Kemajuan dalam Ilmu Material
Pada tahun 2021, Singh adalah bagian dari tim ilmuwan di Universitas Rutgers yang menjaga hafnia dalam kondisi feroelektrik metastabil dengan menggabungkan material dengan yttrium dan mendinginkannya dengan cepat. Namun pendekatan ini mempunyai beberapa kelemahan. “Dibutuhkan banyak yttrium untuk mencapai fase metastabil yang diinginkan,” katanya. “Jadi, meskipun kami mencapai apa yang kami inginkan, pada saat yang sama kami menghambat banyak fitur utama dari material tersebut karena kami memasukkan banyak pengotor dan gangguan pada kristal. Pertanyaannya adalah, bagaimana kita dapat mencapai keadaan metastabil dengan yttrium sesedikit mungkin untuk meningkatkan sifat material yang dihasilkan?”
Dalam studi barunya, Singh menghitung bahwa dengan memberikan tekanan yang signifikan, hafnia curah dapat distabilkan dalam bentuk feroelektrik dan antiferroelektrik yang metastabil—keduanya menarik untuk aplikasi praktis dalam teknologi energi dan penyimpanan data generasi mendatang. Sebuah tim yang dipimpin oleh Profesor Janice Musfeldt di Universitas Tennessee, Knoxville, melakukan eksperimen tekanan tinggi dan menunjukkan bahwa, pada tekanan yang diprediksi, material berubah menjadi fase metastabil dan tetap berada di sana bahkan ketika tekanan dihilangkan.
“Ini adalah contoh yang sangat baik dari kolaborasi eksperimental-teoretis,” kata Musfeldt.
Pendekatan baru ini hanya membutuhkan sekitar setengah jumlah yttrium sebagai penstabil, sehingga secara signifikan meningkatkan kualitas dan kemurnian kristal hafnia yang tumbuh. Kini, Singh mengatakan bahwa dia dan ilmuwan lain akan berupaya mengurangi penggunaan yttrium hingga mereka menemukan cara untuk memproduksi hafnia feroelektrik dalam jumlah besar untuk digunakan secara luas.
Dan ketika hafnia terus menarik perhatian karena sifat feroelektriknya yang menarik, Singh menjadi tuan rumah sesi fokus yang diundang mengenai materi tersebut di Pertemuan American Physical Society pada Maret 2024 mendatang.
Referensi: “Pemurnian fase struktural HfO massal2:Y melalui bersepeda tekanan” oleh JL Musfeldt, Sobhit Singh, Shiyu Fan, Yanhong Gu, Xianghan Xu, S.-W. Cheong, Z. Liu, David Vanderbilt dan Karin M. Rabe, 24 Januari 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2312571121
Pendanaan: DOE/Departemen Energi AS, Yayasan Gordon dan Betty Moore, Kantor Penelitian Angkatan Laut, Yayasan Sains Nasional
NewsRoom.id
