Een team van wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie bestudeerde het gedrag van hafniumoxide, of hafnium, vanwege zijn potentieel voor gebruik in nieuwe halfgeleidertoepassingen. Wetenschappers die de mogelijkheden van hafnium voor gebruik in halfgeleidertoepassingen bestudeerden, ontdekten dat het gedrag ervan kan worden beïnvloed door de omringende atmosfeer. Hun bevindingen bieden goede implicaties voor toekomstige geheugentechnologie.

Met behulp van ultrahoog vacuüm atoomkrachtmicroscopie bij het DOE Nanomaterials Science Center in ORNL hebben onderzoekers een unieke, door de omgeving geïnduceerde ferro-elektrische faseovergang ontdekt in zirkonium-hafniumoxide, een materiaal dat belangrijk is voor de ontwikkeling van geavanceerde halfgeleiders. Bron: Arthur Baddorf/ORNL, Ministerie van Energie

Materialen zoals hafnium zijn ferro-elektrisch, wat betekent dat ze zelfs zonder stroom gegevens gedurende langere tijd kunnen opslaan. Deze eigenschappen suggereren dat deze materialen de sleutel kunnen zijn tot de ontwikkeling van nieuwe niet-vluchtige geheugentechnologieën. Innovatieve niet-vluchtige geheugentoepassingen zullen de hitte verlichten die wordt gegenereerd door de voortdurende overdracht van gegevens naar het kortetermijngeheugen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor de creatie van grotere, snellere computersystemen.

Het elektrische gedrag van hafnia begrijpen

De wetenschappers onderzochten of de atmosfeer het vermogen van hafnia beïnvloedt om de interne ladingsregeling te veranderen als reactie op externe elektrische velden. Het doel is om een ​​reeks ongebruikelijke verschijnselen te verklaren die zijn ontdekt in Xiafu-onderzoek. De bevindingen van het onderzoeksteam zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials.

"We laten eindelijk zien dat het ferro-elektrische gedrag in deze systemen gekoppeld is aan het oppervlak en kan worden afgestemd door de omringende atmosferische omgeving te veranderen. Tot nu toe was de manier waarop deze systemen werken een kwestie van speculatie, een hypothese gebaseerd op talrijke observaties van onze groep en meerdere groepen over de hele wereld", zegt Kyle Kelley, onderzoeker bij ORNL's Centre for Nanomaterials Science. CNMS is een gebruikersfaciliteit van het Office of Science van het Department of Energy. Kelly werkte samen met Sergey Kalinin van de Universiteit van Tennessee, Knoxville, die de experimenten uitvoerde en het project bedacht.

Oppervlaktelaag- en geheugentoepassingen

Materialen die in geheugentoepassingen worden gebruikt, hebben vaak een oppervlakte- of dode laag die het vermogen van het materiaal om informatie op te slaan beïnvloedt. Wanneer een materiaal wordt gekrompen tot slechts een paar nanometer dik, worden de effecten van de dode laag ernstig genoeg om de functionele eigenschappen ervan volledig te verhinderen. Door het gedrag van de oppervlaktelaag aan te passen, in hafnia, kan het materiaal overgaan van de antiferro-elektrische naar de ferro-elektrische toestand.

"Uiteindelijk bieden deze bevindingen een mogelijkheid voor voorspellende modellering en apparaattechniek van hafnium, wat dringend nodig is gezien het belang van dit materiaal in de halfgeleiderindustrie", aldus Kelley.

Met voorspellende modellen kunnen wetenschappers eerder onderzoek gebruiken om de eigenschappen en het gedrag van onbekende systemen te schatten. Het onderzoek onder leiding van Kelley en Kalinin concentreerde zich op hafnia-legeringen gemengd met zirkonia, een keramisch materiaal. Toekomstig onderzoek zou deze bevindingen echter kunnen gebruiken om te voorspellen hoe hafniumdioxide zich gedraagt ​​wanneer het met andere elementen wordt gelegeerd.

Onderzoeksmethoden en samenwerking

Dit onderzoek was gebaseerd op atoomkrachtmicroscopie in een handschoenenkastje en onder omgevingsomstandigheden, evenals op atoomkrachtmicroscopie met ultrahoog vacuüm, methoden die CNMS kan bieden.

"Door gebruik te maken van de unieke mogelijkheden van CNMS zijn we in staat dit soort werk te doen", aldus Kelly. "We veranderen feitelijk de omgeving van de omgevingsatmosfeer helemaal naar ultrahoog vacuüm. Met andere woorden, we verwijderen alle gassen in de atmosfeer in een verwaarloosbare mate en meten vervolgens die reacties, wat erg moeilijk is om te doen."

Teamleden van de Materials Characterization Facility van Carnegie Mellon University speelden een sleutelrol in het onderzoek door karakterisering van elektronenmicroscopie te bieden, en medewerkers van de Universiteit van Virginia leidden de inspanningen voor de ontwikkeling en optimalisatie van materialen.

Liu Yongtao van ORNL (CNMS-onderzoeker) voerde de piëzo-elektrische responskrachtmicroscopiemetingen uit. De modeltheorie die dit onderzoeksproject ondersteunt, is het resultaat van langdurig gezamenlijk onderzoek tussen Kalinin en Anna Morozovska van het Instituut voor Natuurkunde van de Nationale Academie van Wetenschappen van Oekraïne.

Teaminzichten

"Ik werk al bijna twintig jaar samen met collega's in Kiev op het gebied van ferro-elektrische natuurkunde en scheikunde", zei Kalinin. "Ze hebben veel van het werk aan dit artikel gedaan, bijna aan de frontlinie van de oorlog in dat land. Deze mensen hebben wetenschappelijk onderzoek gedaan in omstandigheden die de meesten van ons zich niet eens kunnen voorstellen."

Het team hoopt dat hun bevindingen nieuw onderzoek zullen inspireren dat specifiek de rol van gecontroleerde oppervlakte- en grensvlak-elektrochemie onderzoekt - de relatie tussen elektrische en chemische reacties.