Sluitstuk | Op zoek naar het juiste kristal voor een efficiënter computergeheugen

Sluitstuk | Op zoek naar het juiste kristal voor een efficiënter computergeheugen

9 januari 2015

Dataopslag moet steeds compacter, sneller, maar ook energie-efficiënter. Tot nu toe gebeurt het wegschrijven met hulp van energieverslindende magneetvelden, maar TN-masterstudente Dorris Slapak ging op zoek naar een nieuwe manier. Ze liet duizenden kristallen groeien om met een multiferroïsch laagje het energieverbruik te verbeteren.

Aan de hand van een simpel plaatje legt Dorris Slapak, bijna klaar met haar afstudeerproject aan de faculteit Technische Natuurkunde, uit hoe een computergeheugen werkt. Er staan kleine torentjes, dat zijn bits, die als 0 of 1 worden opgeslagen in een MRAM (Magnetic Random Access Memory). Om die informatie te schrijven, moet de magnetisatie in die torentjes voortdurend van richting veranderen, wat tot nog toe met magnetische velden gebeurt. Dat kost veel energie.

Bij de vakgroep Fysics of Nanostructures wordt onderzoek gedaan naar alternatieve manieren van data-opslag, zoals bijvoorbeeld met ferro-elektrische materialen - materialen die kunnen vervormen onder invloed van een elektrisch veld - vertelt Dorris enthousiast. “Het nieuwe is vooral het multi-ferroïsche. Door twee materialen met ferroïsche eigenschappen te gebruiken, willen we de energie-efficiëntie van het dataschrijven verbeteren. Hiervoor gebruiken we dus een ferromagnetisch laagje, dat altijd al gebruikt wordt in MRAM, waar we een ferro-elektrisch laagje aan toevoegen. Dat is heel spannende natuurkunde! Binnen dat grote onderzoek heb ik aan een klein puzzelstukje gewerkt: kunnen we een heel dun laagje ferro-elektrisch materiaal maken om te gebruiken voor het energie-efficiënter schrijven van data? Zo'n laagje kun je ook kopen, maar dan zijn de kristallen heel dik, wel vijfhonderd micrometer. Als gevolg heb je enorme voltages nodig om het laagje te laten buigen en z’n werk te laten doen. Niet echt praktisch voor een computergeheugen.”

En dus ging Dorris aan de slag om zelf een ultradun laagje bariumtitanaat (BaTiO3) van zo’n honderd tot tweehonderd nanometer te laten groeien. Voor het maken van de minuscule kristallen had ze juist een enorm apparaat nodig, de sputterklok. “In een paar uur groeien de laagjes daarin bij temperaturen van rond de zeshonderdvijftig graden. Ter vergelijking: meer ‘normale’ kristallen zijn in twee minuten klaar.”

En hoewel er in de literatuur veel beschreven staat over het laten groeien van bariumtitanaatkristallen, bleek het in de praktijk een uitdagende klus. Maandenlang testte Dorris verschillende protocollen en veranderde voortdurend parameters tijdens de groei om het perfecte kristal te krijgen. “Oxides maken is een bijzondere tak van sport, de verhoudingen tussen de elementen moeten precies kloppen en het gehalte zuurstof is heel lastig te reguleren. Er zijn wel andere technieken om dit soort kristallen te laten groeien, maar sputteren is gericht op de industrie. Willen we dat ons idee wordt toegepast dan komen we nauwelijks om de sputterklok heen.”

Ondertussen boekte ze wel veelbelovende resultaten met de dikke commercieel verkrijgbare kristallaag en liet ze zien dat het principe van multiferroïsche stacks werkt. Hoewel haar afstudeerbegeleider enthousiast is met de stappen die ze gemaakt hebben, is Dorris zelf minder tevreden. “Ik vind het heel moeilijk dat ik mijn doelen niet gehaald heb, ook al wist ik van te voren dat ik aan een high risk project begon. Ik weet dat in onderzoek er wel negentig procent misgaat en je je voldoening moet halen uit die overige tien procent, maar ik ben erachter gekomen dat dat voor mij te weinig is. Mijn hart ligt toch niet bij het universitaire onderzoek, ik zoek liever mijn uitdagingen op een ander vlak in de hightech industrie.”

Meest gelezen

CLMN UR | Breaking: Dagwaarde verstofte clickers in de lift!

Solar Team Eindhoven onthult vijfzits ‘Stella Vie’

Meer studieplekken over hele campus

Collegegeld flink omhoog

Binnenkijken bij ’t Pleintje