Наукова доповідь із захистом від сегнетоелектричної симетрії багатобітової комірки пам’яті
Предмети
Анотація
Настроюваність електричної поляризації в сегнетоелектриках є ключовим фактором їх застосування в пристроях зберігання інформації. Існуючі сегнетоелектричні комірки пам'яті базуються на дворівневій ємності пам'яті зі стандартною двійковою логікою. Однак останні досягли своїх принципових обмежень. Тут ми пропонуємо сегнетоелектричні багаторозрядні комірки (FMBC), що використовують здатність багатовісних сегнетоелектричних матеріалів фіксувати поляризацію в послідовності мультистабільних станів. Застосовуючи принципи теорії катастрофи, ми показуємо, що ці стани захищені симетрією від втрати інформації, і таким чином реалізуємо нову топологічно керовану пам'ять доступу (TAM). Наші висновки дають змогу розробити платформу для нових багатозначних небулевих інформаційних технологій та вирішити ці завдання, пов'язані з потребами квантових та нейроморфних обчислень.
Вступ
Результати
Багатобітовий гістерезис
(A) Ескіз експериментальної установки та осей координат (xyz). Сегнетоелемент (оранжевий) вирощується на підкладці (синій) і вкладається між двома електродами (зелений). Електричне поле, яке створюється напругою, управляє орієнтацією поляризації. () та (C.) c-фаза, що має два стабільних стану, c + і c - вектора поляризації, . (D) до (F) аа-фаза, що має один стабільний стан, a, і допускаючи два додаткові метастабільні стани, c + і c - з . (G) до (J) р-фаза, що має два стабільних стану, р + і р -, і допускаючи два додаткові метастабільні стани, c + і c - з . Нижні підпанелі відображають положення відповідних станів поляризації в мінімумах енергетичного рельєфу (жовті сфери) та відповідних логічних квантових (loq) -чисел.
Перемикання поляризації між різними частотними значеннями, отже, функціонування FMBC, досягається шляхом застосування, а потім варіювання z-вирівняного електричного поля, Е, індуковані електродами. Зразкова оперативна дорожня карта для р-Фаза показана на рис. 2. Починається з повного полірування FMBC до орієнтованого вгору c + держава. Поступове зменшення прикладеного поля від максимального Ем > Від 0 до мінімального -Ем (Рис. 2А) обертає вектор поляризації з орієнтованого вгору c + держава до орієнтованої на низ c - держава 17,18. Зворотне поле бере назад до держави c + (Рис. 2B).
Модель
Опис одновісно напруженої пероескітової сегнетоелектричної плівки базується на мінімізації функціоналу Ландау-Девоншир (ФДФ), написаному у формі, запропонованій у посиланні. 15
де коефіцієнти 2-го порядку і залежать від деформації невідповідності uм і температури Т, а коефіцієнти 4-го порядку відповідають умовам тетрагональної симетрії,. Коефіцієнти 6-го порядку зберігають кубічну симетрію, a111 = a222 = a333, a112 = a113 = a223. Останній доданок (1) представляє взаємодію поляризації з електричним полем. Стандартна розширена форма LDF (1) та похідні від неї висловлювання представлені в розділі Методи.
Енергетичний ландшафт, роздвоєння та катастрофи
Динаміка перемикання в PbTiO3
Динаміка процесу перемикання описується чисельним рішенням залежних від часу рівнянь Ландау-Халатникова, були Li - коефіцієнти демпфування. Нехай система знаходиться в якомусь довільному початковому loq. При поступовому повороті електричного поля відбувається поляризація (т) слід квазістатично мінливим E (t) і рухається уздовж відповідної гістерезисної гілки. По мірі досягнення критичної точки не Морзе виникає нестабільність, і система переходить в інший стан, розташований на іншій гістерезисній гілці. Цей кінцевий стан визначається залежним від часу моделюванням. Далі, вимкнення поля дозволяє системі ковзати по новій гістерезисній гілці і завершує перехід системи на новий loq.
Фонові області параелектриків та сегнетоелектриків (c, r, aa) - фази, розраховані на 15 і показані на рис. 1 (B) цього документу. Товста біла лінія відповідає переходу першого порядку між цими фазами, а тонкі лінії означають переходи другого порядку. Домени, що відповідають різним режимам комутації, відображаються як кольорові сектори. На вставках відображаються розраховані топологічно різні петлі гістерезису 4 станів, які реалізуються при кімнатній температурі (кімнатна температура позначена штриховою жовтою лінією). Цикл V відповідає 4-частотним (2-бітовим) повністю комутованим FMBC, показаним на рис. 2; цикл I відображає 4-локальний FMBC, в якому приховано 2-часові; цикл VII показує 2-частотні FMBC, в яких два додаткові стани існують лише в ненульовому полі.
Топологія багатобітової комутації
Вставки на рис. 3 демонструють репрезентативні приклади петель гістерезису, що відповідають фазам I, V і VII, отримані з описаного вище аналізу теорії катастрофи LDF (1) та моделювання, залежного від часу. Ці топологічно різні цикли реалізовані в р- фазна область при кімнатній температурі та при різних деформаціях розтягу. Почнемо з опису циклів 4-loqs. Петля гістерезису типу V, яка займає відносно великий інтервал деформацій, вже показана на рис. 2 і обговорена вище як типова конфігурація з 4 частотами.
Цикл типу I також має 4 loqs, але два з них відповідають р + і р - стани, | +1) та | −1), приховані для повторюваного перемикання. Як тільки поляризація покинула їх, вона не може повернутися назад шляхом зміни поля. Однак можна досягти цих стабільних станів шляхом теплового перезавантаження системи, нагрівання її до параелектричної фази, а потім охолодження назад у нульовому полі. Цей процес представляє те, що ми називаємо циклами пам'яті hidden-loq. Нарешті, цикл VII має лише два стабільних loqs, | +1) та | −1) при Е = 0 (стану р + і р -), тоді як два інших перемикаються стану, c + і c -, існують лише в скінченних полях.