Ny familie af ferroelektriske materialer giver muligheder for forbedret information og energilagring

En ny familie af materialer, der kan resultere i forbedret digital informationslagring og bruger mindre energi, kan være mulig takket være et hold af Penn State-forskere, der demonstrerede ferroelektricitet i magnesium-substitueret zinkoxid.

Ferroelektriske materialer er spontant elektrisk polariseret, fordi negative og positive ladninger i materialet tenderer mod modsatte sider og med påføring af et eksternt elektrisk felt reorienterer. De kan blive påvirket af fysisk kraft, derfor er de anvendelige til trykknappetændere som dem, der findes i gasgrill. De kan også bruges til datalagring og hukommelse, fordi de forbliver i én polariseret tilstand uden yderligere strøm, og det samme er lavenergi digitale lagringsløsninger.

"Vi har identificeret en ny familie af materialer, som vi kan lave små kondensatorer af, og vi kan indstille deres polarisationsorientering, så deres overfladeladning er enten plus eller minus, sagde Jon-Paul Maria, Penn State professor i materialevidenskab og teknik, og medforfatter til papiret udgivet i Journal of Applied Physics . "Denne indstilling er ikke-flygtig, hvilket betyder at vi kan indstille kondensatoren til plus, og det forbliver plus, vi kan sætte den til minus, det forbliver minus. Og så kan vi komme tilbage og identificere, hvordan vi indstiller den kondensator, at sige, en time siden."

Denne evne kunne muliggøre en form for digital lagring, der ikke bruger så meget elektricitet som andre former.

"Denne type opbevaring kræver ingen ekstra energi, " sagde Maria. "Og det er vigtigt, fordi mange af de computerhukommelser, som vi bruger i dag, kræver ekstra elektricitet for at opretholde informationen, og vi bruger en betydelig del af det amerikanske energibudget på information."

De nye materialer er lavet med magnesium-substituerede zinkoxid tynde film. Filmen blev dyrket via sputter-aflejring, en proces, hvor argon-ioner accelereres mod målmaterialerne, påvirke det med en høj nok energi til at bryde atomer fri fra målet, der indeholder magnesium og zink. De frigjorte magnesium- og zinkatomer bevæger sig i en dampfase, indtil de reagerer med oxygen og samles på et platinbelagt aluminiumoxidsubstrat og danner de tynde film.

Forskere har studeret magnesium-substitueret zinkoxid som en metode til at øge zinkoxids båndgab, en vigtig materialekarakteristik, der er vigtig for at skabe halvledere. Imidlertid, materialet blev aldrig udforsket for ferroelektricitet. Ikke desto mindre, forskerne troede, at materialet kunne gøres ferroelektrisk, baseret på en idé om "ferroelektrik overalt" fremsat af Maria og Susan Trolier-McKinstry, Evan Pugh University professor, Steward S. Flaschen professor i keramisk videnskab og teknik, og medforfatter på papiret.

"Generelt sagt, ferroelektricitet forekommer ofte i mineraler, der er komplicerede ud fra et struktur- og kemisynspunkt, " sagde Maria. "Og vores team foreslog ideen for omkring to år siden, at der er andre enklere krystaller, hvor dette nyttige fænomen kunne identificeres, da der var nogle spor, der fik os til at foreslå denne mulighed. At sige 'ferroelektrik overalt' er lidt af en leg med ord, men det fanger ideen om, at der var materialer omkring os, der gav os hints, og vi ignorerede disse hints i lang tid."

Trolier-McKinstrys forskerkarriere har fokuseret på ferroelektrik, herunder søgen efter bedre ferroelektriske materialer med forskellige egenskaber. Hun bemærkede, at universitetet i Kiel i Tyskland havde fundet den allerførste af denne overraskende type ferroelektriske materialer i 2019 i nitrider, men at hun og Maria har udvist sammenlignelig adfærd i et oxid.

En del af den proces, som Trolier-McKinstry og Marias gruppe fulgte, er at udvikle en fortjeneste, en mængde brugt i videnskaber såsom analytisk kemi og materialeforskning, der karakteriserer en enheds ydeevne, materiale eller metode i forhold til alternativer.

"Når vi ser på enhver ansøgning om materiale, vi udtænker ofte en værdi, der siger, hvilken kombination af materialeegenskaber, vi ville have brug for til enhver given anvendelse for at gøre den så effektiv som muligt, " sagde Trolier-McKinstry. "Og denne nye familie af ferroelektrik, det giver os helt nye muligheder for disse værdital. Det er meget tiltalende for applikationer, som vi historisk set ikke har haft gode materialesæt til, så denne form for udvikling af nye materialer har en tendens til at udløse nye applikationer."

En ekstra fordel ved de magnesium-substituerede zinkoxid tynde film er, hvordan de kan aflejres ved meget lavere temperaturer end andre ferroelektriske materialer.

"Det overvældende flertal af elektroniske materialer er forberedt ved hjælp af høje temperaturer, og høje temperaturer betyder alt fra 300 til 1000 grader Celsius (572 til 1835 grader Fahrenheit), " sagde Maria. "Når du laver materialer ved høje temperaturer, det kommer med mange vanskeligheder. De har tendens til at være tekniske vanskeligheder, men ikke desto mindre gør de alt mere udfordrende. Overvej, at hver kondensator har brug for to elektriske kontakter - hvis jeg forbereder mit ferroelektriske lag ved høje temperaturer på mindst en af ​​disse kontakter, på et tidspunkt vil der opstå en uønsket kemisk reaktion. Så, når du kan lave ting ved lave temperaturer, du kan integrere dem meget nemmere."

Det næste trin for de nye materialer er at gøre dem til kondensatorer, der er cirka 10 nanometer tykke og 20 til 30 nanometer i laterale dimensioner, hvilket er en svær ingeniørudfordring. Forskerne skal skabe en måde at kontrollere væksten af ​​materialerne på, så der ikke er problemer som f.eks. ufuldkommenheder i materialerne. Trolier-McKinstry sagde, at løsning af disse problemer vil være nøglen til, om disse materialer er anvendelige i nye teknologier - mobiltelefoner med chips, der bruger meget mindre energi, tillader vedvarende drift i en uge eller mere.

"Når man udvikler nye materialer, du skal finde ud af, hvordan de fejler, og derefter forstå, hvordan man afbøder disse fejlmekanismer, " sagde Trolier-McKinstry. "Og for hver enkelt ansøgning, du skal beslutte, hvad der er de væsentlige egenskaber, og hvordan vil de udvikle sig over tid. Og indtil du har lavet nogle målinger på det, du ved ikke, hvad de store udfordringer bliver, og pålideligheden og fremstillingsevnen er enorm i forhold til, om dette materiale ender i din mobiltelefon om fem år."