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Una svolta epocale potrebbe ridefinire il futuro della memoria elettronica. Un team di scienziati dell'Università di Pechino ha sviluppato una nuova architettura per i transistor a effetto di campo ferroelettrici (FeFET) che promette di superare i limiti delle tradizionali memorie basate su tecnologia CMOS. Questa innovazione, basata sull'utilizzo di nanotubi di carbonio, apre la strada a memorie più veloci, efficienti e compatibili con i dispositivi a basso consumo energetico.
I transistor FeFET rappresentano una promettente alternativa alle memorie convenzionali. Offrono una velocità di commutazione superiore, non necessitano di alimentazione per mantenere lo stato e consumano meno energia. Tuttavia, la loro adozione è stata finora ostacolata da difficoltà di scalabilità e da un'elevata tensione di controllo, incompatibile con i moderni circuiti a bassa potenza.
Il team di ricerca cinese ha affrontato queste sfide con un approccio innovativo, concentrandosi sull'aumento della concentrazione del campo di commutazione del gate. Invece di utilizzare i tradizionali gate metallici, hanno impiegato un nanotubo di carbonio a parete singola (m-SWCNT) lungo solo 1 nm. Questa soluzione ha permesso di concentrare il campo elettrico, riducendo significativamente la tensione necessaria per commutare la polarizzazione del materiale ferroelettrico.
Grazie a questa innovativa architettura, i ricercatori sono riusciti a ridurre la tensione di controllo a soli 0,6 V, un valore compatibile con la logica a basso consumo. Allo stesso tempo, la velocità di commutazione è rimasta elevata e le proprietà di non volatilità dei FeFET sono state preservate. La struttura del transistor è composta da un canale in MoS₂, un sottile dielettrico h-BN (5 nm), un gate flottante in grafene multistrato, uno strato ferroelettrico CuInP₂S₆ (CIPS) con spessore variabile da 6,5 a 70 nm e, infine, il gate in nanotubo di carbonio (m-SWCNT) da 1 nm.
L'estrema curvatura del nanotubo di carbonio genera una forte concentrazione del campo elettrico, amplificandolo fino a 2,6 volte. Questo permette di raggiungere un'intensità di campo di 2,7 × 10⁶ V/cm nel ferroelettrico con una tensione esterna di soli -0,6 V. I test hanno dimostrato che la velocità di programmazione dell'architettura è di 1,6 ns (con un impulso di 3 V), la ritenzione dei dati supera i 10⁴ secondi e la resistenza all'usura è superiore a 10⁴ cicli senza degradazione significativa. Questi parametri superano notevolmente le prestazioni dei tradizionali FeFET in termini di tensione, velocità e consumo energetico.
Questa scoperta rappresenta un passo avanti significativo verso la piena compatibilità delle memorie ferroelettriche con la logica avanzata, eliminando la necessità di circuiti ad alta tensione. Apre nuove prospettive per lo sviluppo di chip di intelligenza artificiale (AI) ad alta efficienza energetica, sistemi neuromorfici e memorie 3D-NAND.
La tecnica di amplificazione del campo con nano-gate è versatile e può essere applicata ad altri materiali ferroelettrici (come HZO e le perovskiti) e integrata nei processi CMOS. Questo lavoro dimostra che i nanotubi di carbonio rimangono rilevanti per le tecnologie più avanzate del futuro e getta le basi per tecnologie non volatili con processi inferiori a 1 nm, caratterizzate da perdite minime e prestazioni elevate. Anche Samsung sembra condividere questa visione, ma questa è un'altra storia.
