에너지 효율적인 눈사태 기반 비정질화의 획기적인 발전으로 데이터 저장에 혁명을 일으킬 수 있다

유리와 같은 비정질 고체의 원자는 질서 있는 구조가 없으며, 해변에 흩어진 모래알처럼 무작위로 배열됩니다. 일반적으로 재료를 비정질로 만드는 과정(비정질화라고 알려진 과정)에는 상당한 양의 에너지가 필요합니다. 가장 일반적인 기술은 용융-급냉 공정으로, 재료를 액화될 때까지 가열한 다음 원자가 결정 격자에서 스스로를 정렬할 시간이 없도록 빠르게 냉각하는 것을 포함합니다.

이제 University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science(Penn Engineering), Indian Institute of Science(IISc) 및 Massachusetts Institute of Technology(MIT)의 연구원들은 인듐 셀레나이드 또는 In 2 Se 3 로 만든 와이어와 같은 최소한 하나의 재료를 비정질화하는 새로운 방법을 개발했습니다. 이 방법은 전력 밀도가 10억 배나 적게 필요합니다. 이 결과는 Nature 에 실린 새로운 논문에 설명되어 있습니다. 이 발전은 휴대전화에서 컴퓨터에 이르기까지 장치의 데이터 저장을 변환할 수 있는 유망한 메모리 기술인 상변화 메모리(PCM)에 대한 더 광범위한 응용 프로그램을 열어줄 수 있습니다.

PCM에서 정보는 비정질과 결정질 상태 사이에서 재료를 전환하여 저장되며, 켜기/끄기 스위치처럼 작동합니다. 그러나 대규모 상용화는 이러한 변환을 만드는 데 필요한 높은 전력으로 인해 제한되었습니다. "상변화 메모리 장치가 널리 사용되지 않는 이유 중 하나는 필요한 에너지 때문입니다."라고 Penn Engineering의 재료 과학 및 공학(MSE) 교수이자 논문의 수석 저자 중 한 명인 Ritesh Agarwal이 말했습니다.

아가왈의 연구진은 2012년에 게르마늄, 안티몬, 텔루륨 합금을 재료를 녹이지 않고도 전기 펄스로 비정질화할 수 있다는 사실을 발견한 이후 10년 넘게 용융-급냉 공정의 대안을 연구해 왔습니다.

몇 년 전, 그러한 노력의 일환으로 새로운 논문의 첫 번째 저자 중 한 명인 가우라브 모디(당시 펜실베이니아 공과대학 MSE 박사과정 학생)가 여러 가지 특이한 특성을 지닌 반도체인 인듐셀레나이드를 사용하여 실험을 시작했습니다. 인듐셀레나이드는 강유전성(자연적으로 분극될 수 있음)과 압전성(기계적 응력에 의해 전하가 생성되고 반대로 전하가 재료를 변형시킴)이라는 두 가지 특성을 지닌 반도체입니다.

모디는 본질적으로 우연히 새로운 방법을 발견했습니다. 그는 In 2 Se 3 전선 에 전류를 흐르게 하다가 갑자기 전기가 통하지 않게 되었습니다. 자세히 살펴보니 전선의 긴 부분이 비정질화되어 있었습니다. 모디는 "이것은 매우 이례적인 일이었습니다."라고 말합니다. "저는 전선을 손상시켰을 수도 있다고 생각했습니다. 일반적으로 비정질화를 유도하려면 전기 펄스가 필요하지만 여기서는 연속 전류가 결정 구조를 파괴했는데, 이는 일어나서는 안 될 일이었습니다."

그 미스터리를 푸는 데는 3년이 걸렸습니다. Agarwal은 와이어 샘플을 그의 전 대학원생 중 한 명인 Pavan Nukala에게 보냈습니다. 그는 현재 IISc의 조교수이며, 해당 학교의 나노 과학 및 공학 센터(CeNSE) 회원이고 논문의 다른 선임 저자 중 한 명입니다. "지난 몇 년 동안 IISc 에서 현장 현미경 도구 세트를 개발했습니다. 이제 테스트할 때가 되었는데, 이 과정을 이해하기 위해 매우, 매우 주의 깊게 살펴봐야 했습니다."라고 Nukala는 말합니다. "우리는 In 2 Se 3 의 여러 속성 , 즉 2D 측면, 강유전성 및 압전성이 모두 함께 모여 충격을 통한 비정질화를 위한 이 초저에너지 경로를 설계한다는 것을 알게 되었습니다."

궁극적으로 연구자들은 이 과정이 눈사태와 지진을 모두 닮았다는 것을 발견했습니다. 처음에는 In 2 Se 3 와이어 내의 작은 부분(10억 분의 1미터)이 전류가 와이어를 변형시키면서 비정질화되기 시작합니다. 와이어의 압전 특성과 층상 구조로 인해 전류는 이러한 층의 일부를 불안정한 위치로 밀어냅니다. 마치 산 꼭대기의 눈이 미묘하게 움직이는 것과 같습니다.

임계점에 도달하면 이 움직임은 와이어 전체에 변형이 빠르게 퍼지는 것을 유발합니다. 왜곡된 영역이 충돌하여 지진이 발생할 때 지진파가 지각을 통과하는 방식과 유사하게 재료를 통과하는 음파를 생성합니다.

기술적으로 "음향적 저크(acoustic jerk)"로 알려진 이 음파는 추가적인 변형을 유도하여 수많은 작은 비정질 영역을 마이크로미터 단위로 측정된 단일 영역으로 연결합니다. 이는 원래 영역보다 수천 배 더 큽니다. 마치 산비탈을 따라 모멘텀을 모으는 눈사태와 같습니다. "이 모든 현상이 한 번에 다른 길이 척도에서 상호 작용하는 것을 보는 것은 소름 돋는 일입니다."라고 IISc 박사 과정 학생이자 논문의 공동 1저자인 Shubham Parate가 말합니다.

이 과정을 이해하기 위한 협력적 노력은 미래의 발견을 위한 비옥한 토양을 만들었습니다. "이것은 이러한 모든 속성이 합쳐졌을 때 재료에서 발생할 수 있는 구조적 변형에 대한 새로운 분야를 열어줍니다. 저전력 메모리 장치를 설계하는 데 있어 이러한 발견의 잠재력은 엄청납니다."라고 Agarwal은 말합니다.

이 연구는 펜실베이니아 대학교 공학 및 응용 과학부, 인도 과학 연구소, 매사추세츠 공과 대학에서 수행되었으며 미국 해군 연구소 다학제 대학 연구 이니셔티브 프로그램(N00014-17-1-2661), 미국 국립 과학 재단(NSF) 반도체의 미래 경연 대회(#2328743), 미국 공군 과학 연구국(FA9550-23-1-0189), NSF 재료 연구 과학 및 공학 센터 재료 연구 부문(MRSEC/DMR-2309043), 인도 정부의 Anusandhan 국립 연구 재단 과학 및 공학 연구 위원회 (CRG/2022/003506) 와 CeNSE의 시설, 현미경 및 미세 분석 첨단 시설(AFMM), IISc 및 민주화된 사용 시스템의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241106132133.htm