Semiconductor para dispositivos de almacenamiento de información de nueva generación, resistente a apagones
Un equipo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín (USTB) y del Centro de Física de Materiales (CFM, CSIC-UPV/EHU) mejora las propiedades magnéticas y electrónicas de la ferrita de bismuto modificando su estructura atómica, allanando el camino para dispositivos de memoria de bajo consumo y alta capacidad. Sus descubrimientos se han publicado en Nature Communications y Science Advances.
Referencias:
Figura 1: Conmutación de la polarización en una película fina de BiFeO3 mediante un campo eléctrico. En ambos modelos, los electrodos de oro se utilizan para aplicar el campo eléctrico.
La ferrita de bismuto (BiFeO3), un semiconductor, presenta polarización eléctrica espontánea debido al descentramiento entre centros de carga positivos y negativos. La polarización puede conmutarse mediante un campo eléctrico, dando lugar a dos estados estables que pueden codificarse como estados «0» y «1» (véase la Fig. 1). En las memorias de acceso aleatorio (RAM por sus siglas en inglés) basadas en este tipo de materiales, la información permanece almacenada de forma segura aunque se produzca una interrupción del suministro eléctrico. Por el contrario, en la memoria dinámica de acceso aleatorio, muy utilizada en ordenadores, la información se pierde por completo si se corta la electricidad.
Además, en BiFeO3, la polarización eléctrica puede acoplarse a sus propiedades magnéticas. Este acoplamiento hace que los dispositivos basados en BiFeO3 resulten prometedores para consumir menos energía y almacenar más información que los discos duros convencionales. Sin embargo, el magnetismo de las películas finas de BiFeO3 suele ser muy débil, lo que hace inviable el acoplamiento.
En un reciente trabajo publicado en Nature Communications, un equipo científico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín, en China (USTB), y del Centro de Física de Materiales (CFM, CSIC-UPV/EHU), en España, descubrieron que sustituyendo parte del oxígeno del material BiFeO3 por azufre, podían aumentar su fuerza magnética hasta 62 veces. Uno de los investigadores principales, Linxing Zhang, de la USTB, explicó que la adición de azufre cambia la microestructura del material y la forma en que sus átomos de hierro se enlazan con los átomos cercanos, lo que aumenta enormemente su magnetismo. Este magnetismo mejorado del BiFeO3 abre más oportunidades para que mejore su acoplamiento magnetoeléctrico, allanando el camino para el desarrollo de dispositivos de memoria de bajo consumo.
En otro trabajo estrechamente relacionado publicado en la revista Science Advances, Linxin Zhang, de la USTB, y Yue-Wen Fang, del CFM, desarrollaron un material multifuncional basado en BiFeO3, denominado Bi0,5Sm0,5FeO3. Descubrieron que creando vacantes de oxígeno en el material, podían ajustar químicamente la tensión interna del material para cambiar sus propiedades electrónicas y ópticas.
Figura 2. Dispositivo de almacenamiento basado en BiSmFe2O6 con almacenamiento multinivel no volátil mediante campo eléctrico e iluminación. La barra de color muestra diferentes potencias de iluminación.
En concreto, la tensión de circuito abierto conmutable aumenta hasta 1,56 V desde los 0,50 V de los dispositivos Pt/BiSmFe2O6/Nb-SrTiO3, que es la más alta en dispositivos fotovoltaicos ferroeléctricos perpendiculares de una sola capa basados en perovskita bajo irradiación de diodos emisores de luz blanca. Basándose en este dispositivo, el equipo demostró que el control combinado de la densidad de potencia luminosa y el voltaje de polarización podría permitir al dispositivo leer y escribir datos digitales de al menos 00 a 99 en binario, lo que implica el almacenamiento multinivel no volátil (la Fig. 2 muestra un modelo de dispositivo).
«La ferrita de bismuto lleva estudiándose más de 50 años. A pesar de la exhaustiva investigación, aún hay muchas cuestiones misteriosas que no se entienden debido a las complejas interacciones entre sus cargas eléctricas, propiedades magnéticas y estructura. Mi colaborador, Linxing, es un químico del estado sólido muy creativo que ha sido pionero en un enfoque novedoso llamado ingeniería de aniones. Mientras muchas investigaciones siguen centrándose en modificar los iones metálicos, nuestras dos publicaciones han demostrado que alterar los iones cargados negativamente puede mejorar las múltiples funciones del material. Este avance podría conducir a aplicaciones más baratas y eficaces en dispositivos de almacenamiento de información». El científico del CSIC Yue-Wen Fang se muestra optimista sobre los futuros usos de la ferrita de bismuto.