Over de niet-lineaire diëlektrische respons in ferro-elektrische materialen binnen het elastische regime en de toepassingen ervan in geheugencellen

Met de ontdekking van een ferro-elektrische fase in HfO2 ongeveer tien jaar geleden, is er een nieuwe onderzoekslijn ontstaan voor de toepassing van ferro-elektriciteit in niet-vluchtige geheugencellen en in de context van machine learning, zoals in-memory computing. Gezien het zeer lage stroomverbruik van het ferro-elektrische schakelmechanisme past deze onderzoekslijn perfect in de huidige trend naar minder energieverslindende en dus duurzamere elektronische systemen.

Bij het schakelen van een ferro-elektricum wordt een verplaatsingslading gegenereerd op de elektroden die kan worden opgemeten door conventionele meetversterkers en kan worden omgezet in een uitgangsspanning. Het nadeel van een dergelijk detectiemechanisme is dat de opgeslagen data na elke (destructieve) leesoperatie moeten worden herschreven. Dit is een groot nadeel in een geheugenstructuur, aangezien de schrijfduurzaamheid nu in wezen dezelfde is als de leesduurzaamheid, terwijl er doorgaans veel meer leesoperaties nodig zijn in vergelijking met schrijfoperaties.

Het doel van dit proefschrift is om te onderzoeken of de opgeslagen data (d.w.z. de polarisatietoestand) niet-destructief kan uitgelezen worden zonder daadwerkelijk het ferro-elektricum te schakelen. Dit is mogelijk vanwege het zeer niet-lineaire gedrag van de diëlektrische respons in een ferro-elektricum, zelfs voordat het coërcitieve veld wordt bereikt, wat op zijn beurt aanleiding geeft tot een niet-vluchtig capacitief geheugenvenster. Op dit moment wordt de aard van de niet-lineaire diëlektrische respons binnen dit elastische regime, en dus de oorsprong van het capacitieve geheugenvenster en de beperkingen van de niet-destructieve uitlezing, niet volledig begrepen. Het is de bedoeling om hun afhankelijkheid van verschillende parameters zoals temperatuur, ingebouwde elektrische velden, pulsfrequentie en materiaalparameters te bestuderen. Dit zou moeten leiden tot een diepgaand inzicht in de onderliggende fysische principes en resulteren in richtlijnen voor het ontwerpen van ferro-elektrische condensatoren (zoals de keuze van het ferro-elektricum, de configuratie van de elektrodes en het invoegen van andere materialen in de structuur, enz.) voor zowel niet-vluchtig geheugen als machine learning toepassingen.