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ELETTRONICA/ Il futuro dei computer nel segno delle memorie “ferroelettriche”

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Materiali come le calamite o l’ago di una bussola, conosciuti come magneti permanenti, sono denominati ferromagnetici. Meno noto è il fatto che, accanto ai ferromagnetici esistono i ferroelettrici, materiali dove la magnetizzazione è sostituita dalla polarizzazione elettrica permanente.

Le forze elettrostatiche tra le cariche sono assai più potenti di quelle magnetiche, che nascono dal loro movimento reciproco; infatti il rapporto tra tali forze è quello che corre tra la velocità reciproca delle cariche e la velocità della luce, al quadrato. Eppure le forze magnetiche, così deboli, sono conosciute dall’antichità, in virtù del campo magnetico terrestre che ha generato rocce magnetiche permanenti; mentre le poderose forze elettriche, anch’esse causa di vistosi fenomeni come i fulmini, sono state riconosciute e imbrigliate solo nel ’700, segnando tappe fondamentali della rivoluzione tecnologica, dalla pila di Volta ai calcolatori elettronici. In questi ultimi però il compito di custodire l’informazione, in modo temporaneo o permanente, è stato da subito affidato ai buoni vecchi ferromagneti.

Ma una decina d’anni dopo la scoperta del transistor, qualcuno ha cominciato a chiedersi: «se le forze elettriche sono così potenti, perché non fare memorie ferroelettriche anziché ferromagnetiche?». In un dispositivo elettronico la scrittura e la lettura delle memorie tramite campi elettrici anziché magnetici sarebbero molto più dirette, rapide ed economiche. In una FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) i tempi di lettura e di scrittura sono dell’ordine dei 100 nanosecondi con basse tensioni (da 2 a 5 volt), totale non-volatilità ed elevatissima ciclabilità, contro tempi intorno ai millisecondi e tensioni da 9 a 15 volt per le memorie FLASH: quindi velocità un milione di volte maggiore per tensioni quattro volte inferiori. 

A dire il vero la rivoluzione era già stata ri-proposta vent’anni fa (Scott e Paz de Araujo, Science 246, 1400 (1989)) riprendendo i lavori di vent’anni prima (si veda, ad esempio, il libro di Fatuzzo e Merz, Ferroelectricity, North-Holland 1967), il che fa pensare che delle memorie ultra-rapide e superdense non facciamo ancora buon uso. Tuttavia l’implementazione di memorie ferroelettriche FRAM competitive su scala industriale risale a soli dieci anni fa. Tra le centinaia di materiali ferroelettrici oggi conosciuti, i titanati sono tra i più studiati, in particolare il titanato di bario, il primo ad essere considerato per le memorie, e quelli di piombo e zirconio (PZT); quasi tutti appartengono alla vasta famiglia cristallografica delle perovskiti. Il fatto che lo stato di polarizzazione del ferroelettrico possa assolvere simultaneamente la funzione di memoria e di chiusura o apertura di un gate ha da tempo suggerito di integrare i ferroelettrici nei dispositivi micro e nanoelettronici, in particolare con le funzioni dei transistor, depositandoli direttamente in forma nanometrica sul chip di silicio senza strati intermedi di ossido. Sarebbe un grande, ulteriore progresso verso sistemi elettronici sempre più veloci e versatili. Questo progetto è diventato oggi tecnicamente possibile, e si sta avverando con il più problematico e interessante di tutti i ferroelettrici, il titanato di stronzio (ST).

La ferroelettricità, come il ferromagnetismo, si instaura soltanto quando la temperatura scende sotto una certa temperatura critica Tc, e il materiale ha utilità pratica solo se la sua Tc è ben superiore alla temperatura ambiente. Ebbene, la temperatura critica dell’ST si colloca allo zero assoluto, per cui sarebbe meglio trattarlo come un “aspirante ferroelettrico” e licenziarlo. Peccato, perché cristallizza splendidamente con la luce del diamante ed è studiatissimo per varie altre ragioni: con un pizzico di litio diventa superconduttore e fu proprio lui a mettere Alex Müller sulla strada della superconduttività ad alta temperatura critica. E sapendo che nelle perovskiti superconduttrici la pressione ne fa alzare la temperatura critica, ci si è chiesto se non possa avvenire la stessa cosa per la Tc dei ferroelettrici. Oggi a un quesito del genere si può rispondere con il calcolo “da principi primi” anziché con costosi esperimenti.

Così è stato: intorno al 2005 il gruppo di David Vanderbilt alla Rutgers e di Long-Qing Chen alla Penn State University hanno predetto teoricamente che la Tc del titanato di stronzio sotto alta pressione salirebbe dallo zero a ben oltre la temperatura ambiente! Da qui l’intuizione vincente, pilotata dalla teoria: pochi strati atomici di ST cresciuti direttamente sul silicio dovrebbero adattarsi al passo reticolare della superficie ospite, che è lievemente più piccolo del loro, e quindi risultare fortemente compressi. Esattamente come sui sedili della metropolitana, normalmente un po’ più stretti delle persone. La deposizione di ST, ricco di ossigeno, sulla superficie del silicio senza che si formino strati intermedi di ossido di silicio non è però banale. Il gruppo di Darrell Schlom, in una collaborazione che raggruppa undici laboratori americani dall’Atlantico al Pacifico, è riuscito nell’impresa, dimostrando appunto che fino a 20 strati il film di ST su silicio è ferroelettrico, con la temperatura critica che va a zero oltre lo spessore critico, ed è invece superiore alla temperatura ambiente per piccoli spessori di 5 o 6 strati atomici. Lo strato polarizzabile in modo permanente può essere “scritto” con la punta di un microscopio a forza atomica piezoelettrica: ciò è dimostrato con uno spettacolare disegno micrometrico, direttamente realizzato sul film di ST, che illustra la struttura reticolare dell’interfaccia tra silicio ed ST. Al di là di questa dimostrazione pubblicitaria e della stessa integrazione di transistor e memoria per funzioni on/off istantanee, vi è ben altro: infatti la disegnabilità diretta (e reversibile!) di funzioni potrebbe rivoluzionare la fabbricazione di dispositivi e anche introdurre logiche adattative in cui l’hardware può modificarsi per uno spettro più ampio di applicazioni o come effetto di un processo di apprendimento. Sempre attuale il titolo di Robert Jungk: «Il futuro è già cominciato!».



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