Исследователи из Института квантовых технологий МФТИ создали сверхгибкую и растяжимую сегнетоэлектрическая память на биосовместимой платформе. Они разработали технологию производства пленочной памяти, стенд для тестирования ее свойств и теоретически подтвердили результаты экспериментальных испытаний. Полученная «флешка» толщиной всего 30 микрометров выдерживает 150 000 циклов сгиба и нагрузку растяжения в полтора килограмма, не теряя своих сегнетоэлектрических свойств, и может быть применена для создания гибкой медицинской электроники. Исследование опубликовано в журнале Advanced Electronic Materials.
Гибкая память нужна в различных приложениях: гнущиеся дисплеи, электронная бумага, электронный текстиль. Устройства, конструктивно похожие на гибкую память, могут использоваться в устройствах «зеленой» энергетики, чтобы преобразовывать механические деформации в электрическую энергию и подзаряжать аккумуляторы.
Очень перспективно ее применение в здравоохранении. Умные носимые сенсоры можно было бы прикреплять к коже человека, чтобы считывать в реальном времени, например, давление, пульс, температуру тела — и тут же их записывать и обрабатывать. Или можно было бы делать «умные» импланты. Например, нейронные импланты, которые содержали бы микроконтроллеры и энергонезависимую память. Такие устройства смогут помочь в лечении неврологических заболеваний, связанных с нарушением мозговой деятельности: эпилепсии, болезни Паркинсона, тяжелой клинической депрессии и других.
Запоминающие устройства на основе сегнетоэлектрических материалов энергонезависимы, позволяют быстро считывать и записывать данные, обладают большим ресурсом перезаписи информации, низким энергопотреблением и компактными габаритами.
Работа исследователей из МФТИ была направлена на создание гибкой сегнетоэлектрической памяти, пригодной именно для биомедицинских применений. В качестве биосовместимой платформы выбрали органические пленки полиимида, а в качестве материала энергонезависимой памяти — сегнетоэлектрическую пленку оксида гафния, легированного цирконием, толщиной 10 нм.
«Пленки оксида гафния проявляют сегнетоэлектрические свойства, будучи очень тонкими: от 4 до 30 нанометров, а с другими материалами нужна толщина больше 100 нанометров. Поэтому мы ожидали, что материал окажется очень гибким и будет сохранять свои сегнетоэлектрические свойства при сгибах и различных механических деформациях», — комментирует Анастасия Чуприк, заведующая лабораторией перспективных концепций хранения данных МФТИ.
Далее ученые разработали многоступенчатую технологию получения гибкой биосовместимой «флешки» и стенд для тестирования механических свойств. Чтобы подтвердить получаемые в эксперименте результаты, провели теоретические квантово-механические расчеты, которые объяснили роль механических напряжений в сегнетоэлектрических свойствах пленочной памяти.
«Технология получения устройства на подложке очень сложная и многоступенчатая. Но она позволила достичь очень маленькой толщины образца устройства, — рассказывает Анастасия Чуприк. — И чтобы показать, что устройство обладает беспрецедентными механическими свойствами — оно выдерживает многократное складывание пополам, — мы разработали целую установку. На ней мы продемонстрировали, что устройство выдерживает 150 000 циклов изгиба и растяжение нагрузкой в полтора килограмма. Вручную нам таких цифр было бы не достичь»
Рисунок 1. Результаты измерения поляризации — «запоминающего» параметра пленки — при различных сгибах. Графики а, b, d показывают, что при изменении параметров эксперимента поляризация изменяется незначительно. Источник: Advanced Electronic Materials
Рисунок 2. Изменение поляризации при деформации растяжения при увеличении и уменьшении нагрузки. Деформация в 3% соответствует нагрузке в 1,5 килограмма. Источник: Advanced Electronic Materials
Несмотря на все испытания, которые исследователи проводили с пленочной флешкой, она сохраняла свои сегнетоэлектрические свойства.
По словам ученых, они довели эту гибкую память до стадии достаточно высокой проработки, когда в установке для тестирования механических и сегнетоэлектрических свойств этот гибкий пленочный «чип» уже просто вставляется в стандартный разъем для считывания информации.
В результате проведенной работы удалось не только создать само устройство с уникальными механическими свойствами. Была создана сложная технология получения тонких пленок, обладающих «памятью», на гибкой и биосовместимой подложке, а также был разработан стенд для тестирования механических и сегнетоэлектрических свойств. Устройство сможет стать прототипом памяти для носимой и медицинской электроники. Используемая технология и тестовый стенд помогут создавать новые элементы гибкой электроники и улучшать существующие запоминающие устройства.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 20-19-00370).
