Hafnia får et nyt ansigt:Materialeforskning skaber potentiale for forbedrede computerchips og transistorer

Det er en materiel verden, og en yderst alsidig sådan, i betragtning af dets mest basale byggesten – atomer – kan forbindes til forskellige strukturer, der bevarer den samme sammensætning.

Diamant og grafit, for eksempel, er kun to af de mange polymorfer af kulstof, hvilket betyder, at begge har den samme kemiske sammensætning og kun adskiller sig i den måde, hvorpå deres atomer er forbundet. Men hvilken verden af ​​forskelle, denne forbindelse gør:Førstnævnte går ind i en ring og koster tusindvis af dollars, mens sidstnævnte skal sidde tilfreds inden for en ydmyg blyant.

Den uorganiske forbindelse hafniumdioxid, der almindeligvis anvendes i optiske belægninger, har ligeledes flere polymorfer, herunder en tetragonal form med meget attraktive egenskaber til computerchips og andre optiske elementer. Imidlertid, fordi denne form kun er stabil ved temperaturer over 3100 grader Fahrenheit – tænk flammende inferno – har videnskabsmænd måttet nøjes med dens mere begrænsede monokliniske polymorf. Indtil nu.

Et team af forskere ledet af kemikeren University of Kentucky Beth Guiton og Texas A&M University kemiker Sarbajit Banerjee i samarbejde med Texas A&M materialevidenskabelige ingeniør Raymundo Arroyave har fundet en måde at opnå denne meget eftertragtede tetragonale fase ved 1100 grader Fahrenheit.

Holdets forskning, udgivet i dag i Naturkommunikation , detaljer om deres observation af denne spektakulære atom-for-atom transformation, bevidnet ved hjælp af utroligt kraftfulde mikroskoper ved Oak Ridge National Laboratory. Efter først at have krympet monokliniske hafniumdioxidpartikler ned til størrelsen af ​​små krystal nanorods, de opvarmede dem gradvist, være meget opmærksom på den stregkode-lignende struktur, der kendetegner hver nanorod og, i særdeleshed, sit par nanoskala, fejldannende striber, der ser ud til at fungere som jordnul for overgangen.

"I denne undersøgelse ser vi en lille metaloxidstang transformere fra en struktur, som er det typiske materiale, der findes ved stuetemperatur, ind i en anden, relateret struktur normalt ikke stabil under 3100 grader Fahrenheit, " sagde Guiton, som er lektor i kemi ved UK College of Arts &Sciences. "Dette er vigtigt, fordi højtemperaturmaterialet har fantastiske egenskaber, der gør det til en kandidat til at erstatte siliciumdioxid i halvlederindustrien, som er bygget på silicium. "

Halvlederindustrien har længe været afhængig af siliciumdioxid, da den er tynd, valgfrit ikke-ledende lag i det kritiske mellemrum mellem gate-elektroden - ventilen, der tænder og slukker for en transistor - og siliciumtransistoren. Konsekvent udtynding af dette ikke-ledende lag er det, der tillader transistorer at blive mindre og hurtigere, men Guiton påpeger, at der er noget, der er for tyndt - det punkt, hvor elektroner begynder at skubbe hen over barrieren, derved varme deres omgivelser og dræne strøm. Hun siger, at de fleste af os har set og følt dette scenarie til en vis grad (pun intended), for eksempel, mens vi ser videoer på vores telefoner og batteriet tømmes samtidigt, da enheden i vores håndflade mærkbart begynder at varme.

Når computerchips bliver mindre, hurtigere og mere kraftfuld, deres isolerende lag skal også være meget mere robuste - i øjeblikket en begrænsende faktor for halvlederteknologi. Guiton siger, at denne nye fase af hafnia er en størrelsesorden bedre til at modstå anvendte felter.

Når det kommer til at se hafnias strukturelle overgang mellem dens traditionelle monokliniske tilstand og denne kommercielt ønskelige tetragonale fase ved nær stuetemperatur, Banerjee siger, at det ikke er ulig populært tv - specifikt "Hall of Faces" i HBO-showet "Game of Thrones".

"I bund og grund vi har kunnet se i realtid, på atom for atom basis, da hafnia omdannes til en ny fase, meget ligesom Arya Stark iført et nyt ansigt, "Sagde Banerjee." Den nye fase af hafnia har en meget højere 'k' -værdi, der repræsenterer dens evne til at lagre afgift, hvilket ville gøre det muligt for transistorer at arbejde virkelig hurtigt, mens de blot nipper til strømmen i stedet for at tabe den. Striberne viser sig at være virkelig vigtige, da det er her overgangen starter, da hafnien mister sine striber. "

Arroyave krediterer atominformationer i realtid for at sætte gruppen i stand til at finde ud af, at transformationen sker på en meget anden måde på nanoskala-niveauer, end den gør inden for de makroskopiske partikler, der resulterer i hafnias monokliniske form. Det faktum, at det er nanoskala i første omgang, er derfor, han siger, at overgangen sker ved, eller meget tættere på, stuetemperatur.

"Gennem syntese på nanoskala, 'højden' på energibarrieren, der adskiller de to former, er blevet formindsket, gør det muligt at observere tetragonal hafnia ved meget lavere temperaturer end normalt, " sagde Arroyave. "Dette peger mod strategier, der kan bruges til at stabilisere et væld af nyttige former for materialer, der kan muliggøre en bred vifte af funktionaliteter og tilhørende teknologier. Dette er blot et eksempel på de enorme muligheder, der findes, når vi begynder at udforske det 'metastabile' materialerum."

Banerjee siger, at denne undersøgelse foreslår en måde at stabilisere den tetragonale fase ved faktisk stuetemperatur - hvilket han bemærker, at hans gruppe tidligere opnåede via en anden metode sidste år - og store implikationer for hurtige, transistorer med lavt strømforbrug i stand til at styre strøm uden at trække strøm, reducere hastigheden eller producere varme.

"Mulighederne er uendelige, herunder endnu mere kraftfulde bærbare computere, der ikke varmer op og nipper til strøm fra deres batterier og smartphones, der 'forbliver rolige og fortsætter, "" Banerjee sagde. "Vi forsøger at anvende de samme tricks på andre polymorfer af hafniumdioxid og andre materialer - isolering af andre faser, der ikke let stabiliseres ved stuetemperatur, men også kan have mærkelige og ønskelige egenskaber."