Квантовые точки способны улучшить свойства элементов памяти
Сотрудники Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН изучают возможности квантовых точек, которые могут использоваться для разработки новых элементов памяти. Технология в будущем позволит улучшить характеристики памяти: повысить время хранения информации в энергонезависимом режиме, увеличить количество циклов перезаписи, поднять скорость работы. Это в итоге приблизит создание универсальной памяти. Статья по результатам исследования опубликована в The Journal of Physics and Chemistry of Solids.
Квантовые точки представляют собой полупроводниковый объект или нанокристаллы очень малого размера — до 20 нанометров, состоящие из тысяч атомов. Меняя материалы для получения квантовых точек и их величину, специалистам удаётся регулировать электрические, термические, оптические и другие свойства этих объектов. За открытие и исследование квантовых точек присудили Нобелевскую премию по химии коллективу американских учёных в 2023 году.
Универсальная память объединяет в себе возможность длительного энергонезависимого хранения информации (как на флеш или магнитных дисках) с возможностью быстрой обработки этой информации (как в оперативной RAM). Одним из путей создания универсальной памяти является разработка флеш-памяти, где заряд хранится в массиве самоорганизованных квантовых точек. Работа учёных в этом направлении сконцентрирована на получении квантовых точек с параметрами, удовлетворяющими требованиям для универсальной памяти. В частности, усилия направлены на поиск материалов, из которых формируются квантовые точки с максимально возможной энергией локализации электронов. Это крайне важно для обеспечения длительного хранения информации в ячейке памяти.
«Существует множество подходов к созданию универсальной памяти, которая бы заменила собой традиционную флэш-память, используемую сегодня на большинстве вычислительных устройств. Мы совместно с коллегами встали на путь применения квантовых точек для хранения заряда в рамках архитектуры флеш-памяти. Оперативная память задействована для временного хранения данных непосредственно в моменты работы на вычислительном устройстве, она не может работать автономно, так как для её работы обязательно требуется энергия. В универсальной памяти, как подразумевают разработчики, вычислительные действия смогут проходить внутри неё без дополнительных процессоров. Время обработки информации сократится во много раз по сравнению с технологиями, которые существуют сегодня. Квантовые точки, как объекты для создания нового вида памяти, имеют большой потенциал», — рассказал старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Демид Суад Абрамкин.
Квантовые точки специалисты выращивают в лаборатории института с помощью процессов молекулярно-лучевой эпитаксии. В высоковакуумной камере, в которую помещаются подложка и нагреватель, испаряются металлы — новосибирские физики используют алюминий и галлий. Кроме металлов, на подложку попадают такие элементы, как азот, фосфор и сурьма. Образующиеся полупроводниковые соединения при определённых условиях собираются в нанокристаллы — квантовые точки. Благодаря контрасту свойств материала квантовой точки и окружающих толстых слоёв полупроводников в квантовые точки могут захватываться электроны.
Внимание группы новосибирских исследователей под руководством Демида Суада Абрамкина в данный момент сосредоточено на системе самоорганизованных GaN квантовых точек в матрице AlN. Расчеты, опубликованные в статье 2025 года, показали, что эти объекты характеризуются весьма высокой энергией локализации электронов (1,5 эВ и выше). Это вполне достаточно для энергонезависимого хранения заряда в течение десяти лет.
«Сегодня наша работа сосредоточена в первую очередь на расчётах и вычислениях, то есть носит фундаментальный характер. До создания первого прототипа потребуется ещё много исследований. Развитие новых технологий в области памяти, поиски новых видов памяти и создание универсальной памяти — всё это способно перевернуть компьютерную архитектуру. Разработка универсальной памяти важна для суперкомпьютеров, квантовых компьютеров, так как для их работы потребляется огромное количество энергии. Увеличение скоростей обработки информации, рост количества циклов перезаписи и энергонезависимость — важнейшие особенности крупных компьютерных систем. Если говорить о более бытовых вещах, то универсальная память способна во много раз снизить энергопотребление в смартфонах, увеличив время их автономной работы без дополнительного заряда в несколько раз», — отметил учёный.
Источник: «Наука в Сибири».
