Группа ученых из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США изучила поведение оксида гафния или гафния на предмет его потенциала для использования в новых полупроводниковых приложениях. Ученые, изучающие возможности использования гафния в полупроводниках, обнаружили, что на его поведение может влиять окружающая атмосфера. Их результаты дают хорошие последствия для будущих технологий памяти.
Используя сверхвысоковакуумную атомно-силовую микроскопию в Научном центре наноматериалов Министерства энергетики при ORNL, исследователи обнаружили уникальный индуцированный окружающей средой сегнетоэлектрический фазовый переход в оксиде циркония-гафния, материале, важном для разработки современных полупроводников. Источник: Артур Баддорф/ORNL, Министерство энергетики.
Такие материалы, как гафний, являются сегнетоэлектриками, а это означает, что они могут хранить данные в течение длительного периода времени даже без питания. Эти свойства позволяют предположить, что эти материалы могут стать ключом к разработке новых технологий энергонезависимой памяти. Инновационные приложения энергонезависимой памяти уменьшат выделение тепла при непрерывной передаче данных в кратковременную память, открывая путь к созданию более крупных и быстрых компьютерных систем.
Понимание электрического поведения гафнии
Ученые исследовали, влияет ли атмосфера на способность гафнии изменять расположение своих внутренних зарядов в ответ на внешние электрические поля. Цель — объяснить ряд необычных явлений, обнаруженных в ходе исследований Сяфу. Результаты исследовательской группы были недавно опубликованы в журнале Nature Materials.
«Мы, наконец, показываем, что сегнетоэлектрическое поведение в этих системах связано с поверхностью и может быть настроено путем изменения окружающей атмосферной среды. До сих пор то, как работают эти системы, было предметом предположений, гипотезы, основанной на многочисленных наблюдениях нашей группы и нескольких групп по всему миру», — сказал Кайл Келли, исследователь из Центра науки о наноматериалах ORNL. CNMS является пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики. Келли сотрудничал с Сергеем Калининым из Университета Теннесси в Ноксвилле, который проводил эксперименты и задумал проект.
Поверхностный слой и приложения памяти
Часто материалы, используемые в запоминающих устройствах, имеют поверхностный или мертвый слой, который влияет на способность материала хранить информацию. Когда материал сжимается до толщины всего в несколько нанометров, воздействие мертвого слоя становится достаточно серьезным, чтобы полностью лишить его функциональных свойств. Регулируя поведение поверхностного слоя гафния, это позволяет материалу переходить из антисегнетоэлектрического состояния в сегнетоэлектрическое.
«В конечном счете, эти результаты открывают возможности для прогнозного моделирования и разработки устройств на основе гафния, что крайне необходимо, учитывая важность этого материала в полупроводниковой промышленности», — сказал Келли.
Прогнозирующее моделирование позволяет ученым использовать предыдущие исследования для оценки свойств и поведения неизвестных систем. Исследования, проведенные Келли и Калининым, были сосредоточены на сплавах гафния, смешанных с цирконием, керамическим материалом. Однако будущие исследования могут использовать эти результаты для прогнозирования поведения диоксида гафния при сплаве с другими элементами.
Методы исследования и сотрудничество
Это исследование основывалось на атомно-силовой микроскопии внутри перчаточного бокса и в условиях окружающей среды, а также на атомно-силовой микроскопии в сверхвысоком вакууме — методах, которые может предоставить CNMS.
«Используя уникальные возможности CNMS, мы можем выполнять такую работу», — сказал Келли. «Мы по сути меняем окружающую среду от окружающей атмосферы до сверхвысокого вакуума. Другими словами, мы удаляем все газы из атмосферы в незначительной степени, а затем измеряем эти реакции, что очень сложно сделать».
Члены группы из Центра определения характеристик материалов Университета Карнеги-Меллон сыграли ключевую роль в исследовании, предоставив характеристики с помощью электронной микроскопии, а сотрудники Университета Вирджинии возглавили усилия по разработке и оптимизации материалов.
Лю Юнтао из ORNL (исследователь CNMS) провел измерения силы пьезоэлектрического отклика окружающей среды с помощью микроскопии. Теория моделей, лежащая в основе этого исследовательского проекта, является результатом многолетних совместных исследований Калинина и Анны Морозовской из Института физики Национальной академии наук Украины.
Аналитика команды
"Я сотрудничаю с киевскими коллегами в области сегнетоэлектрической физики и химии уже почти 20 лет", - сказал Калинин. «Они проделали большую работу над этой статьей почти на передовой линии войны в этой стране. Эти люди проводили научные исследования в условиях, которые большинство из нас даже не может себе представить».
Команда надеется, что их результаты вдохновят новые исследования, специально изучающие роль контролируемой поверхностной и межфазной электрохимии – взаимосвязь между электрическими и химическими реакциями.