Iltmigrering muliggør ferroelektricitet på nanoskala

Hafnium-baserede tynde film, med en tykkelse på kun nogle få nanometer, udviser en ukonventionel form for ferroelektricitet. Dette tillader konstruktion af nanometer-størrelse hukommelser eller logiske enheder. Imidlertid, det var ikke klart, hvordan ferroelektricitet kunne opstå i denne skala. En undersøgelse, der blev ledet af forskere fra University of Groningen, viste, hvordan atomer bevæger sig i en hafnium-baseret kondensator:Migrerende iltatomer (eller ledige pladser) er ansvarlige for den observerede omskiftning og lagring af ladning. Resultaterne, som blev offentliggjort online af tidsskriftet Videnskab den 15 april, viser vej til nye ferroelektriske materialer.

Ferroelektriske materialer udviser spontan polarisering, der kan vendes eller skiftes ved hjælp af et elektrisk felt. Det bruges i ikke-flygtige hukommelser eller konstruktion af logiske enheder. En ulempe ved disse materialer er, at når størrelsen af ​​krystallerne reduceres til under en vis grænse, de ferroelektriske egenskaber går tabt. Imidlertid, for nogle år siden, forskere foreslog, at hafnium-baserede oxider kunne udvise ferroelektricitet i nanoskala dimensioner.

Mikroskop

I 2018, et hold ledet af Beatriz Noheda, professor i funktionelle nanomaterialer ved universitetet i Groningen, bekræftede disse særlige egenskaber ved hafniumoxider. "Imidlertid, vi vidste ikke præcis, hvordan denne ferroelektricitet opstod, " siger hun. "Vi vidste, at mekanismen i disse hafnium-baserede tynde membraner er anderledes. Da ferroelektrisk omskiftning er noget, der forekommer på atomær skala, vi besluttede at studere, hvordan atomstrukturen af ​​dette materiale reagerer på et elektrisk felt, både ved hjælp af den kraftige røntgenkilde ved MAX-IV synkrotronen i Lund og vores formidable elektronmikroskop i Groningen."

Universitetet huser et state-of-the-art elektronmikroskop ved elektronmikroskopicentret på Zernike Institute for Advanced Materials, som gruppen af ​​Bart Kooi, medforfatter til Videnskab papir, med succes afbildet de letteste atomer i det periodiske system - brint - for første gang i 2020. Det er her, førsteforfatteren Pavan Nukala kommer ind. Han arbejdede som Marie Curie-forsker ved University of Groningen og havde en baggrund i elektronmikroskopi og materialevidenskab, især i disse ferroelektriske hafniumsystemer.

Ilt

Imidlertid, hvis forberedelsen af ​​en prøve til billeddannelse af atomer er vanskelig, så øger behovet for at anvende et elektrisk felt på tværs af en enhed in situ sværhedsgraden med flere størrelsesordener. Heldigvis, omkring samme tid, Majid Ahmadi (en mester i in situ eksperimenter) sluttede sig til Koois gruppe. "Vi var alle ret overbeviste om, at hvis der var et sted, hvor skift af hafnium kunne visualiseres in situ på atomær skala, det ville være her på ZIAM elektronmikroskopicenter. Det nyder godt af en unik kombination af den rette ekspertise inden for materialevidenskab, mikroskopi og infrastruktur, " forklarer Noheda.

De korrekte protokoller til at bygge hafnium-baserede elektron-transparente kondensatorer ved hjælp af fokuseret ionstråle-facilitet blev udviklet af Ahmadi og Nukala. "Vi afbildede atomgitteret af hafnium-zirconiumoxid mellem to elektroder, inklusive de lette oxygenatomer, " Nukala forklarer. "Folk troede, at iltatomforskydning i hafnium giver anledning til polarisering. Så enhver mikroskopi ville kun give mening, hvis ilt kunne afbildes, og vi havde det nøjagtige værktøj til det. Så påførte vi en ekstern spænding på kondensatoren og så atomændringerne i realtid." Sådan et eksperiment in situ med direkte billeddannelse af iltatomer inde i elektronmikroskopet var aldrig blevet udført.

Migration

"Et væsentligt træk, som vi observerede, er, at iltatomerne bevæger sig, " forklarer Nukala. "De oplades og migrerer efter det elektriske felt mellem elektroderne gennem hafniumlaget. Sådan en reversibel ladningstransport muliggør ferroelektricitet." Noheda tilføjer:"Dette var en stor overraskelse."

Der er også et lille skift i atompositioner på picometerskalaen inde i enhedscellerne, men den samlede effekt af iltmigreringen fra den ene side til den anden side på enhedens respons er meget større. Denne opdagelse baner vejen for nye materialer, der kan bruges til lager- og logikenheder i nanometerstørrelse. "Hafnium-baserede ferroelektriske hukommelser er allerede i produktion, selvom mekanismen bag deres adfærd var ukendt, " siger Nukala. "Vi har nu åbnet vejen mod en ny generation af iltledende, siliciumkompatible ferroelektriske materialer."

Noheda, hvem er direktør for CogniGron, Groningen Cognitive Systems and Materials Center, som udvikler nye materialer til kognitiv databehandling, kan se interessante anvendelser for den nye type ferroelektriske materialer. "Oxygenmigrering er meget langsommere end dipolskifte. I hukommelsessystemer, der kunne efterligne hjernecellernes kort- og langtidshukommelse, materialeforskere forsøger i øjeblikket at lave hybridsystemer af forskellige materialer for at kombinere disse to mekanismer. "Vi kan nu gøre det i det samme materiale. Og ved at kontrollere iltbevægelsen, vi kunne skabe mellemtilstande, igen, som du finder i neuroner."

Defekter

Nukala, som nu er adjunkt ved Indian Institute of Science, er også interesseret i at udforske materialets piezoelektriske eller elektromekaniske egenskaber. "Alt konventionelt ferroelektrisk materiale er også piezoelektrisk. Hvad med disse nye ikke-giftige, siliciumvenlig ferroelektrik? Der er en mulighed her for at udforske deres potentiale i mikroelektromekaniske systemer."

Til sidst, egenskaberne af dette nye materiale stammer fra ufuldkommenheder. "Oilten kan kun rejse, fordi der er ilttomheder inde i krystalstrukturen, " siger Nukala. "Faktisk, du kan også beskrive, hvad der sker som en migrering af disse ledige stillinger. Disse strukturelle defekter er nøglen til den ferroelektriske adfærd og, generelt, give materialer nye egenskaber."