Materiales foto-ferroeléctricos
Materiales foto-ferroeléctricos: usar la luz para almacenar información
Estos nuevos materiales permiten guardar información de forma permanente usando la luz como estímulo
Investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) han descubierto que los materiales ferroeléctricos fotosensibles pueden pasar de un estado de baja resistencia a uno de alta resistencia sólo por la aplicación de pulsos de luz. Además, en el marco de este estudio, publicado en Nature Communications, se han diseñado memorias capaces de almacenar información no volátil (permanente) en distintos estados de resistencia. Estos nuevos dispositivos se podrían aplicar en un futuro en el diseño de sensores con memoria para ser usados, por ejemplo, en cámaras de fotos, o en almacenamiento de datos.
Fig. 1: Polarización en una película ferroeléctrica con E IMP , fotoabsorción y su impacto en la polarización y ER túnel.
Energía ( U ) de los dominios P ARRIBA (flechas azules) y P ABAJO (flechas rojas) en una película ferroeléctrica, en presencia de E IMP paralela a P ABAJO . a En el estado adulto. b En un campo eléctrico externo aplicado mayor o menor que el campo coercitivo ( E C + – E IMP ) y ( E C – + E IMP ), respectivamente, se produce la inversión de polarización. c Bajo iluminación, se suprimen bien la polarización y la doble energía potencial.d Después de la iluminación, la polarización macroscópica emerge a lo largo de una dirección dictada por E IMP preexistente . e Electroresistance (ER) de bucle medido en la oscuridad, en una unión de túnel ferroeléctrico como una función de una V W . El bucle se desplaza hacia V <0, lo que ilustra la presencia de E IMP . f Conmutación de estado de baja resistencia (LRS) a estado de alta resistencia (HRS) promovida por inversión de polarización inducida ópticamente.
Mapas de fase PFM (30 μm × 30 μm) de película BTO. Las regiones P DOWN y P UP se escribieron aplicando voltaje a la punta de -8 o +8 V dentro de un área de 10 μm × 10 μm en las regiones amarilla y negra, respectivamente. b Después de la iluminación (láser azul, 10 min), los dominios P UP se vuelven a conmutar.
Fig. 3: Electrorresistencia bajo iluminación.
a Bucles I ( V ) siguiendo la ruta de −15 a +15 a −15 V recogidos en la oscuridad y bajo iluminación (láser rojo y azul). Recuadro arriba a la izquierda: esquema de la configuración de medición. Recuadro inferior derecha: Zoom de los bucles I ( V ) alrededor de V + C-LOW . b Bucles R ( V W ) recopilados usando escritura τ = 1 ms en oscuridad y bajo iluminación (azul). Las flechas indican la dirección de polarización. c Lazos R ( V W ) recopilados mediante escritura τ = 100 μs en oscuridad (símbolos negros) y bajo iluminación (azul) (símbolos azules). El bucle de histéresis de voltaje de fase PFM (símbolos rojos) de la muestra (eje inferior derecho). Las líneas punteadas verticales indican el E C en el bucle PFM, coincidiendo con V + C-LOW y V – C-LOW en el bucle R ( V W ). d Lazo P ( V ) e I ( V ) y croquis de la configuración de medición.
a Croquis del apilamiento de capas con una barrera BTO polarizada. b Bucle R ( V W ) recolectado usando escritura τ = 100 μs en oscuridad (negro sólido y círculos abiertos) y bajo iluminación (símbolos azules). c Imágenes de fase PFM fuera del plano obtenidas después de escribir los dominios P DOWN y P UP (voltaje aplicado a la punta de +8 V (región amarilla interna) y −8 V (región negra)), respectivamente (imagen izquierda) y después iluminando la muestra LSMO / STO / BTO (imagen derecha). Las barras de escala corresponden a 10 µm. Abajo, perfiles de fase a lo largo de las líneas punteadas blancas en las imágenes correspondientes. d P ( V ) e I ( V ) lazo y croquis de la configuración de medición.
Un memristor es un dispositivo que puede mostrar múltiples estados de resistencia según el estímulo que ha recibido, y es uno de los dispositivos básicos para el desarrollo de sistemas de computación neuromórfica. Por lo tanto, el dispositivo desarrollado abre un camino a explorar en relación a su integración sistemas de visión neuromórfica, donde el sistema aprende a reconocer imágenes” explica el investigador del ICMAB-CSIC Ignasi Fina, coautor del estudio.«Los materiales que muestran cambios de resistencia bajo la iluminación son abundantes, aunque el efecto es típicamente volátil y el material recupera su estado inicial después de algún tiempo de permanencia», explica Fina. «Para los dispositivos que se van a utilizar en la informática y el almacenamiento de datos en un futuro, el control óptico no volátil de la resistencia eléctrica es de interés. No volátil quiere decir que la información permanece en el dispositivo, incluso cuando la fuente de alimentación está apagada», añade.
ICMAB-CSIC Ignasi Fina
Actualmente se necesitan dos dispositivos diferentes para utilizar las señales ópticas para el almacenamiento no volátil de datos: un sensor optoelectrónico y un dispositivo de memoria. El estudio del ICMAB-CSIC demuestra que estas dos propiedades se pueden combinar en un único material capaz de modular su resistencia mediante luz pulsada: un material foto-ferroeléctrico.
En los dispositivos foto-ferroeléctricos estudiados, para escribir y cambiar los estados on/off, es decir, para conseguir resistencias altas o bajas al paso de corriente, se utiliza un campo eléctrico combinado con un estímulo óptico.
Estos dispositivos son eficientes energéticamente por dos razones principales: en primer lugar, el consumo de energía se reduce en el momento de escribir el estado de memoria, ya que no necesita un flujo de corriente de carga. En segundo lugar, como la información se almacena de forma no volátil, el estado se conserva y no hay necesidad de refrescar la información (reescribirla) como se hace continuamente en las memorias RAM actuales de todos los ordenadores, por ejemplo.
Este fenómeno de interruptor óptico observado no se limita a los materiales estudiados y, por lo tanto, abre un camino hacia nuevas investigaciones sobre este fenómeno. Materiales foto-ferroeléctricos: usar la luz para almacenar información