Автор AZoNano 16 апреля 2021 г.

Тонкие пленки на основе гафния толщиной всего в несколько нанометров демонстрируют нетрадиционную форму сегнетоэлектричества. Это позволяет создавать запоминающие устройства или логические устройства нанометрового размера. Однако было неясно, как сегнетоэлектричество могло возникнуть в таком масштабе.

Исследование, проведенное учеными из Университета Гронингена, показало, как атомы движутся в конденсаторе на основе гафния: мигрирующие атомы кислорода (или вакансии) ответственны за наблюдаемое переключение и накопление заряда. Результаты, опубликованные 15 апреля в журнале Science указывают путь к новым сегнетоэлектрическим материалам.

Сегнетоэлектрические материалы демонстрируют спонтанную поляризацию, которую можно обратить или переключить с помощью электрического поля. Он используется в энергонезависимой памяти или при создании логических устройств. Одним из недостатков этих материалов является то, что при уменьшении размера кристаллов ниже определенного предела сегнетоэлектрические свойства теряются. Однако несколько лет назад было высказано предположение, что оксиды на основе гафния могут проявлять сегнетоэлектричество в наноразмерных размерах.

Микроскоп

В 2018 году группа под руководством Беатрис Ноэда, профессора функциональных наноматериалов из Университета Гронингена, подтвердила эти особые свойства оксидов гафния. «Однако мы не знали точно, как возникло это сегнетоэлектричество», – говорит она . « Мы знали, что в этих тонких мембранах на основе гафния действует другой механизм. Поскольку переключение сегнетоэлектриков происходит в атомном масштабе, мы решили изучить, как атомная структура этого материала реагирует на электрическое поле, используя как мощный источник рентгеновского излучения на синхротроне MAX-IV в Лунде, так и наш огромный электронный микроскоп. в Гронингене »

В центре электронной микроскопии Института перспективных материалов Цернике находится современный электронный микроскоп, с которым работает группа Барта Куи, соавтора статьи Science , успешно визуализировал самые легкие атомы в периодической таблице – водород – впервые в 2020 году. Здесь появляется первый автор Паван Нукала. Он работал научным сотрудником Марии Кюри в Университете Гронингена и имел опыт работы в электронной микроскопии. и материаловедение, особенно в этих сегнетоэлектрических гафниевых системах.

Кислород

Однако, если подготовка образца для визуализации атомов является сложной задачей, то необходимость приложения электрического поля к устройству на месте увеличивает сложность на несколько порядков. К счастью, примерно в то же время к группе Куи присоединился Маджид Ахмади (мастер экспериментов на месте) «Все мы были совершенно убеждены, что если и существует одно место, где переключение гафния можно было бы визуализировать in situ в атомном масштабе, то это было бы здесь, в центре электронной микроскопии ЗИАМ. Он извлекает выгоду из уникального сочетания правильного опыта в области материаловедения, микроскопии и инфраструктуры », – поясняет Ноэда .

Надлежащие протоколы для создания электронно-прозрачных конденсаторов на основе гафния с использованием устройства сфокусированного ионного пучка были разработаны Ахмади и Нукалой. «Мы изобразили атомную решетку оксида гафния-циркония между двумя электродами, включая легкие атомы кислорода, », – объясняет Нукала. «Люди считали, что смещение атома кислорода в гафнии вызывает поляризацию. Итак, любая микроскопия имела бы смысл только в том случае, если бы можно было получить изображение кислорода и у нас был бы точный инструмент для этого. Затем мы приложили внешнее напряжение к конденсатору и наблюдали за атомными изменениями в реальном времени » Такого эксперимента in situ с прямым отображением атомов кислорода внутри электронного микроскопа никогда не проводилось.

Миграция

«Важной особенностью, которую мы наблюдали, является движение атомов кислорода», – поясняет Нукала . «Они заряжаются и мигрируют вслед за электрическим полем между электродами через слой гафния. Такой обратимый перенос заряда делает возможным сегнетоэлектричество ». Ноэда добавляет: «Это было большим сюрпризом». Действительно, есть небольшой сдвиг в положениях атомов в пикометровом масштабе внутри элементарных ячеек, но общий эффект миграции кислорода с одной стороны на другую. другая сторона отклика устройства намного больше. Это открытие открывает путь к новым материалам, которые можно использовать для хранения и логических устройств нанометрового размера. «Сегнетоэлектрические запоминающие устройства на основе гафния уже производятся, хотя механизм их поведения неизвестен», говорит Нукала. «Теперь мы открыли дорогу новому поколению кислородопроводящих, совместимых с кремнием сегнетоэлектрических материалов»

Ноэда, директор CogniGron, Гронингенского центра когнитивных систем и материалов, который разрабатывает новые материалы для когнитивных вычислений, может увидеть интересные приложения для нового типа сегнетоэлектрических материалов. «Миграция кислорода происходит намного медленнее, чем дипольное переключение. В системах памяти, которые могут имитировать кратковременную и долговременную память клеток мозга, материаловеды в настоящее время пытаются создать гибридные системы из разных материалов, чтобы объединить эти два механизма. «Теперь мы можем сделать это из того же материала. И, контролируя движение кислорода, мы могли бы создавать промежуточные состояния, опять же, как в нейронах »

Дефекты

Нукала, который сейчас является доцентом Индийского института науки, также заинтересован в изучении пьезоэлектрических или электромеханических свойств материала. «Все обычные сегнетоэлектрики тоже пьезоэлектрики. Что насчет этих новых нетоксичных, безопасных для кремния сегнетоэлектриков? Здесь есть возможность изучить их потенциал в микроэлектромеханических системах »

В конце концов, свойства этого нового материала проистекают из недостатков. «Кислород может перемещаться только потому, что внутри кристаллической структуры есть кислородные вакансии», – говорит Нукала . «Фактически, вы также можете описать то, что происходит, как миграцию этих вакансий. Эти структурные дефекты являются ключом к поведению сегнетоэлектриков и в целом придают материалам новые свойства »

Ссылка: Паван Нукала, Маджид Ахмади, Инфен Вей, Ситце де Грааф, Евгениос Стилианидис, Тухин Чакраборти, Сильвия Мацен, Хенни В. Зандберген, Александр Бьёрлинг, Дэн Манникс, Дина Карбоне, Барт Коои, Беатризо Ноэда: наблюдение за обратимая миграция кислорода и фазовые переходы в сегнетоэлектрических устройствах Science онлайн 15 апреля 2021 года

Источник: https://www.rug.nl/