Projekti / Programi
Z epitaksijo z molekularnim žarkom do ultrahitrih spominskih naprav
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.01 |
Naravoslovje |
Fizika |
Fizika kondenzirane materije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P002 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
TaS2, skrito kvantno stanje, neergodični fazni prehodi, val gostote naboja, epitaksija z molekularnim žarkom, tunelska mikroskopija, spominske naprave
Raziskovalci (6)
Organizacije (2)
Povzetek
Namen predlaganega projekta je raziskava dinamičnih lastnosti 'skritega' kvantnega stanja v tankih plasteh 1T-TaS2, ki jo je navdihnila njihova možna uporabnost za ultrahitre spominske naprave in bi lahko pomenila prebojni korak pri razvoju novega načina zapisovanja in shranjevanja informacij, hitrejšega in varčnejšega v primerjavi z drugimi kandidati za (ang. nonvolatile) spominske tehnologije nove generacije, kot so PCM, STT-MRAM, RRAM (memristorji).
Skrito stanje je nov koncept v fiziki materialov in pomeni kvantno stanje snovi, ki ga ne moremo doseči pri ergodičnih pogojih in zato ne ustreza nobeni od sicer poznanih termodinamskih faz materiala. Leta 2014 smo, kot del ERC AdG projekta, v naši raziskovalni skupini na IJS poročali o odkritju takega stanja v plastovitem kristalu 1T-TaS2 pri temperaturah pod 195 K (Stojchevska et al., Science, 2014). To je vodilo do odkritja ultrahitrega preklapljanja med osnovnim in skritim stanjem tako na optični (35 fs) kot elektronski način (30 ps) (Vaskivskyi et al., Science Advances, 2015). Oboje sta trenutno svetovna rekorda v hitrosti preklapljanja. Še pomembneje, v obeh primerih je preklapljanje povezano z velikimi spremembami električnega upora, kar ga naredi zelo zanimivega za ultrahitre spominske naprave.
Zmožnost enostavnega reverzibilnega preklapljanja med dvema različnima stanjema, poimenujmo ju '0' in '1', je lahko temelj za izdelavo spominskega elementa, če uspemo doseči še nekatere izboljšave, denimo povišano temperaturo delovanja in demonstracijo tehnologije na osnovi tankih filmov. Prvotne meritve na še neoptimiziranem spominskem elementu so pokazale, da bi za preklop enega bita potrebovali zgolj 0,25 pJ energije, kar pomeni za velikostni red večjo varčnost od denimo spomina na osnovi faznih sprememb (ang. phase change memory – PCM) in primerljivo s tehnologijo navora spinskega prenosa (spin-transfer torque magnetic random-access memory – STT-MRAM). Še vedno pa moramo za večjo prodornost bolje raziskati procese, ki določajo napake v napravah, vpliv velikosti, energijsko porabo, in povišati delovno temperaturo. V ta namen moramo zamenjati sedanje eksfoliirane kristalne koščke z epitaksialno zraslimi tankimi plastmi 1T-TaS2.
Infrastruktura za raziskavo je v večji meri že postavljena in predhodni eksperimenti, MBE rast TaS2 in elektronsko preklapljanje vzdolž c osi, so dali spodbudne rezultate. Za sintezo kristalov 1T-TaS2 bomo uporabili sistem za epitaksijo z molekularnim žarkom, ki je bil v letu 2012 namensko kupljen prav za rast dihalkogenidov prehodnih kovin (TaS2, MoS2, MoSe2, itd.). Imamo tudi dostop do obsežnega nabora sodobne karakterizacijske opreme (AFM, XRD, SEM, TEM, elipsometrija) in nanolitografskih postopkov, s katerimi bomo kristale opremili z elektrodami. Na drugi strani imamo vrhunski štirisondni tunelski mikroskop (Omicron LT Nanoprobe), s katerim bomo sočasno s preklapljanjem kristala lahko opazovali tudi spremembe v valu gostote naboja na njegovi površini.
Osredotočili se bomo na izdelavo tankoplastnih 1T-TaS2 naprav delujočih vzdolž c osi. To bo omogočilo preiskavo temeljnih procesov, kot denimo planarno in v c osi orientirano urejanje naboja, ki je trenutno vroča raziskovalna tema, in raziskavo drugih temeljnih procesov, ki določajo zmogljivosti naprav. Eden od stranskih produktov pa bo tudi razvoj večjih vezij v prečni geometriji in miniaturizacija velikosti vodnikov do 10 nm, kar bo precej zmanjšalo energijo preklapljanja posameznega bita in močno povečalo površinsko gostoto spominskih elementov. Raziskali bomo tudi učinek mehanske napetosti substrata, za katere je znano, da vplivajo na kritične temperature faznih prehodov.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati projekta prispevajo k razumevanju skritega kvantnega stanja v dihalkogenidih in s tem posredno pomagajo k vzpostavitvi okvira za razlago sorodnih pojavov tudi v drugih materialih. Dobro poznavanje mehanizma preklapljanja med stanji snovi je gonilo izdelave novih generacij računalniškega spomina, kar je pomembno za razvoj nove generacije izredno zmogljivih klasičnih računalnikov (ang. cryogenic high-performance computing) ter integracijo spominskih elementov na čipu kvantnega računalnika. Bolj neposredno k razvoju znanosti pripomorejo tudi ugotovitve, ki smo jih dosegli med iskanjem pogojev za epitaksialno rast politipa 1T-TaS2. Pripomorejo tako k boljšemu razumevanju faznega diagrama tantalovega disulfida kot tudi vpliva različnih substratov na epitaksialno oz. van der Waalsovo epitaksialno rast, kjer se navidez nepomembne razlike odražajo v drastično spremenjenih rezultatih.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt za razvoj Slovenije po eni strani pomeni držanje koraka s svetom na znanstvenem področju raziskave skritih stanj, po drugi strani pa obeta pomemben tehnološki preboj v primeru, da bodo izdelane naprave postale energetsko dovolj majhne, hitre in učinkovite. Člani projektne skupine so organizirali ali sodelovali pri organizaciji tudi več mednarodnih konferenc pokrivajočih področja, ki se tičejo projekta: - konferenca Flatlands beyond Graphene 2016 na Bledu, Slovenija (5.-8. julij 2016) je pokrivala tudi dihalkogenide prehodnih kovin, - konferenci Nonequilibrium Phenomena in Quantum Systems na Krvavcu, Slovenija (17.-21. december 2016 in 17.-20. december 2017) pa sta obravnavali tudi skrita kvantna stanja. Na ta način smo poudarili svojo vlogo na svetovnem zemljevidu za omenjena področja.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
