قد تبدو خصائص ثاني أكسيد الهافنيوم (المعروف باسم الهافينا) غير ملحوظة على السطح. ومع ذلك، عندما يتم تحويل هذه المادة إلى طبقات رقيقة جدًا، فإنها تظهر خصائص رائعة: من خلال تبديل ثنائيات القطب تحت تأثير المجال الكهربائي، يمكن استخدام هذه الطبقات الرقيقة جدًا كذاكرة كمبيوتر غير متطايرة. علاوة على ذلك، نظرًا لأن قوة ثنائيات القطب هذه تتأثر بالمجالات الكهربائية التي مرت بها في الماضي، فهي مناسبة بشكل مثالي للميمريستورات، والتي يمكن استخدامها لبناء بنيات حاسوبية "شبيهة بالدماغ".
قامت بياتريس نوهيدا، أستاذة المواد النانوية الوظيفية في جامعة جرونينجن، بدراسة هذه المادة وكتبت مؤخرًا مقالة منظورية حول خصائصها لمجلة "Nature-Materials". وقالت: "على الرغم من أننا لا نفهم كل الفيزياء، إلا أنها تستخدم بالفعل في الأجهزة".
لإنشاء أجهزة كمبيوتر أكثر كفاءة، يبدو أن ذاكرة الوصول العشوائي السريعة غير المتطايرة (RAM) مرشح جيد. تتكون هذه المواد من خلايا ذات ثنائيات أقطاب تتحول مجتمعة تحت تأثير المجال الكهربائي. ومع ذلك، إذا كان عدد الوحدات صغيرًا جدًا، فسوف تنهار خصائصها؛ ويحدث زوال الاستقطاب التلقائي تحت حوالي 90 نانومتر.
الاستثناء هو أنه تم اكتشاف هذا عن طريق الصدفة تقريبًا. يعتبر هافنر مستقرًا جدًا في درجات الحرارة المرتفعة والبيئات القاسية وقد تم استخدامه تقليديًا في الصناعات الهندسية المعدنية والكيميائية. ومع ذلك، عندما أثبت هافنر غير المتبلور أنه عازل بوابة فعال للغاية في الترانزستورات، لفت انتباه مصنعي الرقائق الدقيقة. إن استبدال أكسيد السيليكون التقليدي بأكسيد هافنر يمكن أن يجعل الترانزستورات أصغر حجمًا. "
ينبع اهتمام نوهيدا بهذه المادة من عملها في مركز الأنظمة والمواد المعرفية في جرونينجن (كوجنيجرون)، حيث تشغل منصب المدير العلمي. هدف كوجنيجرون هو إنشاء بنيات حوسبة عصبية الشكل. الهافنيا هي إحدى المواد التي تمت دراستها في المركز." في بحث منشور في مجلة Science عام 2021، نصف كيف يحدث التبديل ليس فقط من خلال ثنائيات القطب. وقالت نوهيدا: "لقد وجدنا أن حركة الأكسجين الشاغرة تلعب أيضًا دورًا". واستنادًا إلى تجربتها، تمت دعوتها لمناقشة الدروس المستفادة من الهافنيا في مقالة منظورية في Nature Materials.
تتصرف الهافنيا مثل العازل الكهربائي الشفاف، لكنها تحتفظ بخصائصها فقط على مقياس النانو." يبدو أن شركة Ferroelectrics قد انسحبت من السباق للحصول على ذاكرة وصول عشوائي صغيرة جدًا وغير متطايرة، ولكن مع Hafnia، أصبحت الآن "في المقدمة". ومع ذلك، لا يبدو أن هافنر يتصرف تمامًا مثل الفيروكهربائي، وكما ذكرنا، يبدو أن حركة شواغر الأكسجين تلعب دورًا حاسمًا في خصائصه.
أشار نوهيدا أيضًا إلى مفهوم آخر يجب أخذه بعين الاعتبار: الطاقة السطحية للجسيمات النانوية. "يوضح مخطط الطور أن المساحة السطحية الكبيرة نسبيًا لهذه الجسيمات تخلق ما يصل إلى ضغوط عالية للغاية في ثاني أكسيد الهافنيوم، والذي يبدو أنه يلعب دورًا في خصائص هذه المادة." سيكون هذا النوع من المعرفة مهمًا في العثور على مواد أخرى تتصرف بشكل مشابه للهافنيوم. ومع قلة الإمدادات العالمية، فإن الهافنيوم ليس الخيار الأكثر استدامة لإنتاج الرقائق الدقيقة. ومن خلال البحث عن مواد ذات خصائص مماثلة، قد نجد مواد مرشحة أفضل. الزركونيوم هو أحد الخيارات. "
إن العثور على بدائل مستدامة للهافنيوم يمكن أن يؤدي إلى تسريع استخدام المواد الكهروضوئية في ذاكرة الوصول العشوائي. وبما أن قوة ثنائي القطب تعتمد على تاريخ المجال الكهربائي الذي أنشأه، فإنه سيكون مادة مثالية لإنتاج الميمريستورات. تتصرف مثل هذه الأجهزة المحاكاة بشكل مشابه للخلايا العصبية في أدمغتنا، وهي مرشحة لبنيات الكمبيوتر ذات الشكل العصبي. "نحن نعمل بجد لتطوير هذه الشريحة العصبية. ولكن أولا، يجب علينا أن نفهم تماما الخصائص الفيزيائية لثاني أكسيد الهافنيوم والمواد المماثلة."