As propriedades do dióxido de háfnio (comumente conhecido como hafina) podem parecer normais na superfície. No entanto, quando este material é feito em camadas ultrafinas, ele exibe propriedades fascinantes: ao trocar dipolos sob a influência de um campo elétrico, essas camadas ultrafinas podem ser usadas como memória de computador não volátil. Além disso, como a força desses dipolos é afetada pelos campos elétricos que experimentaram no passado, eles são ideais para memristores, que podem ser usados para construir arquiteturas de computador "semelhantes a um cérebro".
Beatriz Noheda, professora de nanomateriais funcionais na Universidade de Groningen, estudou este material e recentemente escreveu um artigo de perspectiva sobre suas propriedades para a revista Nature-Materials. “Mesmo que não entendamos toda a física, ela já está sendo usada em dispositivos”, diz ela.
Para criar computadores mais eficientes, a memória de acesso aleatório (RAM) rápida e não volátil parece ser uma boa candidata. Esses materiais são compostos por células com dipolos que alternam coletivamente sob a ação de um campo elétrico. Entretanto, se o número de unidades for muito pequeno, suas propriedades serão prejudicadas; a despolarização espontânea ocorre abaixo de cerca de 90 nanômetros. A exceção é a vaga de oxigênio
, que foi descoberta mais ou menos por acidente, diz Beatriz Noheda. Hafner é muito estável em altas temperaturas e ambientes agressivos e tem sido tradicionalmente usado nas indústrias metalúrgica e de engenharia química. No entanto, quando o Hafner amorfo provou ser um isolante de porta muito eficiente em transistores, chamou a atenção dos fabricantes de microchips. Substituir o óxido de silício tradicional por Hafner pode tornar os transistores menores. "
O interesse de Noheda neste material deriva de seu trabalho no Centro de Sistemas Cognitivos e Materiais em Groningen (CogniGron), onde é diretora científica. O objetivo da CogniGron é criar arquiteturas de computação neuromórficas. Hafnia é um dos materiais estudados no centro. " Num artigo publicado na Science em 2021, descrevemos como a comutação ocorre não apenas através de dipolos. Descobrimos que o movimento das vagas de oxigênio também desempenha um papel", disse Noheda. Com base em sua experiência, ela foi convidada a discutir as lições aprendidas com Hafnia em um artigo de perspectiva na Nature Materials.
Hafner se comporta como um ferroelétrico, mas só mantém suas propriedades na escala nanométrica. "As ferroelétricas pareciam ter saído da corrida pela RAM não volátil ultrapequena, mas com a háfnia agora estão na liderança." No entanto, Hafner não parece se comportar exatamente como um ferroelétrico e, como mencionado anteriormente, o movimento das vacâncias de oxigênio parece ser crítico para as suas propriedades.
Noheda também apontou outro conceito a considerar: a energia superficial das nanopartículas. "Os diagramas de fase mostram que a área superficial relativamente grande dessas partículas cria o que equivale a pressões extremamente altas no dióxido de háfnio, que parece desempenhar um papel nas propriedades do material. Este tipo de conhecimento é importante para encontrar outros materiais que se comportem de forma semelhante ao háfnio. Como a oferta global é muito pequena, o háfnio não é um produtor de microchips. A opção mais sustentável na fabricação. Ao procurar materiais com propriedades semelhantes, podemos encontrar melhores candidatos. "
Encontrar alternativas sustentáveis ao háfnio poderia acelerar o uso de materiais ferroelétricos na memória RAM. Como a força de um dipolo depende da história do campo elétrico que o criou, seria um material ideal para a produção de memristores. Esses dispositivos simulados se comportam de maneira semelhante aos neurônios do nosso cérebro e são candidatos a arquiteturas de computadores neuromórficas. "Estamos trabalhando duro para desenvolver este chip neuromórfico. Mas primeiro, devemos compreender completamente as propriedades físicas do dióxido de háfnio e de materiais semelhantes."