Ferroelektrik i nanostørrelse bliver en realitet

Brug af ferroelektricitet i stedet for magnetisme i computerhukommelsen sparer energi. Hvis ferroelektriske bits var i nanostørrelse, dette ville også spare plads. Men konventionel visdom dikterer, at ferroelektriske egenskaber forsvinder, når bitsene gøres mindre. Rapporter om, at hafniumoxid kan bruges til at fremstille et ferroelektrisk materiale på nanoskala, har endnu ikke overbevist feltet, men University of Groningen (UG) fysikere har nu samlet beviser, der kunne overbevise skeptikerne, udgivet i Naturmaterialer den 22. oktober.

Ferroelektriske materialer har et spontant dipolmoment, som kan pege op eller ned. Det betyder, at de kan bruges til at gemme information, ligesom magnetiske bits på en harddisk. Fordelen ved ferroelektriske bits er, at de kan skrives ved lav spænding og effekt. Magnetiske bits kræver store strømme for at skabe et magnetfelt til at skifte, og dermed mere kraft. Ulempen ved ferroelektrik er, at de justerede dipoler kun er stabile i ret store grupper, så hvis du gør krystallerne mindre, dipolmomentet forsvinder til sidst.

Skepsis

"Reduktion af størrelsen af ​​ferroelektriske materialer har været et forskningsemne i mere end 20 år, " siger professor Beatriz Noheda ved UG Functional Nanomaterials. For omkring otte år siden, et gennembrud blev annonceret af Nanoelectronic Materials Laboratory i Dresden, Tyskland. De hævdede, at tynde film af hafniumoxid var ferroelektriske, når de var tyndere end ti nanometer, og at tykkere film faktisk mistede deres ferroelektriske egenskaber. Noheda siger, "Dette gik imod alt, hvad vi vidste, så de fleste videnskabsmænd var skeptiske, inklusive mig." Noget af skepsisen skyldtes, at de ferroelektriske hafniumprøver, der blev brugt i disse undersøgelser, var polykrystallinske og viste flere faser, tilsløre enhver klar grundlæggende forståelse af et så ukonventionelt fænomen.

Noheda og hendes gruppe besluttede at undersøge sagen. De ønskede at studere disse krystaller ved at dyrke rene (enfasede) film på et substrat. Ved hjælp af røntgenspredning og højopløselige elektronmikroskopiteknikker, de observerede, at meget tynde film (under ti nanometer) vokser i en helt uventet og hidtil ukendt polær struktur, som er nødvendigt for ferroelektricitet. Ved at kombinere disse observationer med omhyggelige transportmålinger, de bekræftede, at materialet faktisk var ferroelektrisk. "I det underlag, vi brugte, atomerne var en lille smule tættere på end dem i hafniumoxid, så hafniumkrystallerne ville være lidt anstrengte, " forklarer Noheda.

Polar fase

Til deres overraskelse, de bemærkede, at krystalstrukturen ændrede sig, når lagene oversteg ti nanometer, og dermed reproducere resultaterne af Dresden-laboratoriet. Noheda:"Vi brugte en helt anden metode, men vi nåede til lignende konklusioner. Dette bekræftede, at ferroelektricitet i hafniumoxidkrystaller i nanostørrelse faktisk er reel og ukonventionel. Og det stillede spørgsmålet:hvorfor sker dette?"

Fællesnævneren i begge undersøgelser var størrelse. Små krystaller blev ferroelektriske, hvorimod større krystaller mistede denne egenskab. Dette fik forskerne til at studere fasediagrammerne for hafniumoxid. I en meget lille størrelse, partikler har en meget stor overfladeenergi, skabe tryk på op til 5 gigapascal i krystallen. Fasediagrammerne viser et andet krystalarrangement ved et sådant tryk. "Dette pres, sammen med den substratpålagte belastning, inducerer en polær fase, hvilket er i overensstemmelse med observationen af, at disse krystaller er ferroelektriske, " slutter Noheda.

Vågn op cyklus

Endnu et vigtigt fund er, at i modsætning til de tynde film i Dresden, de nye krystaller behøver ikke en "opvågningscyklus" for at blive ferroelektriske. Noheda:"De tidligere undersøgte tyndfilm blev først ferroelektriske efter at have gennemgået en række skiftecyklusser. Dette øgede mistanken om, at ferroelektricitet var en slags artefakt. Vi mener nu, at opvågningscyklusserne var nødvendige for at justere dipolerne i "urene " prøver dyrket via andre teknikker. I vores materiale, justeringen er allerede til stede i krystallerne."

Efter Nohedas mening, resultaterne er afgørende:hafniumoxid er ferroelektrisk på nanoskala. Det betyder, at meget små stykker kan konstrueres af dette materiale, med den ekstra fordel, at de skifter ved lav spænding. Desuden, det særlige substrat, der anvendes i denne undersøgelse, er magnetisk, og denne kombination af magnetiske og ferroelektriske bits giver en ekstra grad af frihed, giver hver bit mulighed for at lagre dobbelt information. Nu hvor mekanismen for ferroelektricitet i nanostørrelse er klar, det forekommer sandsynligt, at andre simple oxider kunne have lignende egenskaber. Noheda forventer, at sammen, dette vil sætte gang i en masse ny forskning.