Het gebruik van ferro-elektriciteit in plaats van magnetisme in het computergeheugen bespaart energie. Als ferro-elektrische bits nanogrootte hadden, dit zou ook ruimte besparen. Maar de conventionele wijsheid schrijft voor dat ferro-elektrische eigenschappen verdwijnen wanneer de bits kleiner worden gemaakt. Rapporten dat hafniumoxide kan worden gebruikt om ferro-elektrisch op nanoschaal te maken, hebben het veld nog niet overtuigd, natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen (RUG) hebben nu echter bewijs verzameld dat de sceptici zou kunnen overtuigen, gepubliceerd in Natuurmaterialen op 22 oktober.

Ferro-elektrische materialen hebben een spontaan dipoolmoment dat naar boven of naar beneden kan wijzen. Dit betekent dat ze kunnen worden gebruikt om informatie op te slaan, net als magnetische bits op een harde schijf. Het voordeel van ferro-elektrische bits is dat ze met een lage spanning en laag vermogen kunnen worden geschreven. Magnetische bits vereisen grote stromen om een ​​magnetisch veld te creëren voor het schakelen, en dus meer vermogen. Het nadeel van ferro-elektriciteit is dat de uitgelijnde dipolen alleen stabiel zijn in vrij grote groepen, dus als je de kristallen kleiner maakt, het dipoolmoment verdwijnt uiteindelijk.

Scepticisme

"Het verkleinen van ferro-elektrische materialen is al meer dan 20 jaar een onderzoeksonderwerp, ", zegt RUG-hoogleraar Functionele Nanomaterialen Beatriz Noheda. Zo'n acht jaar geleden, een doorbraak werd aangekondigd door het Nanoelectronic Materials Laboratory in Dresden, Duitsland. Ze beweerden dat dunne hafniumoxide-films ferro-elektrisch waren als ze dunner waren dan tien nanometer en dat dikkere films hun ferro-elektrische eigenschappen eigenlijk verloren. Noheda zegt, "Dit ging in tegen alles wat we wisten, dus de meeste wetenschappers waren sceptisch, inclusief mij." Een deel van de scepsis was omdat de ferro-elektrische hafniummonsters die in deze onderzoeken werden gebruikt polykristallijn waren en meerdere fasen vertoonden, elk duidelijk fundamenteel begrip van een dergelijk onconventioneel fenomeen verdoezelen.

Noheda en haar groep besloten op onderzoek uit te gaan. Ze wilden deze kristallen bestuderen door schone (eenfasige) films op een substraat te laten groeien. Met behulp van röntgenverstrooiing en hoge resolutie elektronenmicroscopie technieken, ze zagen dat zeer dunne films (minder dan tien nanometer) groeien in een geheel onverwachte en voorheen onbekende polaire structuur, wat nodig is voor ferro-elektriciteit. Door deze observaties te combineren met nauwkeurige transportmetingen, ze bevestigden dat het materiaal inderdaad ferro-elektrisch was. "In het substraat dat we gebruikten, de atomen waren een beetje dichterbij dan die in hafniumoxide, dus de hafniumkristallen zouden een beetje gespannen zijn, ' legt Noheda uit.

Polaire fase

Tot hun verbazing, ze merkten dat de kristalstructuur veranderde als de lagen groter waren dan tien nanometer, daarmee de resultaten van het laboratorium in Dresden reproduceren. Noheda:"We gebruikten een totaal andere methode, maar we kwamen tot vergelijkbare conclusies. Dit bevestigde dat ferro-elektriciteit in hafniumoxidekristallen van nanoformaat inderdaad echt en onconventioneel is. En dat riep de vraag op:waarom gebeurt dit?"

De gemene deler in beide onderzoeken was grootte. Kleine kristallen werden ferro-elektrisch, terwijl grotere kristallen deze eigenschap verloren. Dit bracht de wetenschappers ertoe de fasediagrammen van hafniumoxide te bestuderen. Op een heel klein formaat, deeltjes hebben een zeer grote oppervlakte-energie, het creëren van een druk tot 5 gigapascal in het kristal. De fasediagrammen laten een andere kristalopstelling zien bij een dergelijke druk. "Deze druk, samen met de door het substraat opgelegde spanning, induceert een polaire fase, wat in overeenstemming is met de waarneming dat deze kristallen ferro-elektrisch zijn, " concludeert Noheda.

Wake up cyclus

Een andere belangrijke bevinding is dat, in tegenstelling tot de dunne films in Dresden, de nieuwe kristallen hebben geen 'wake-up'-cyclus nodig om ferro-elektrisch te worden. Noheda:"De eerder bestudeerde dunne films werden pas ferro-elektrisch na een aantal schakelcycli te hebben doorlopen. Dit verhoogde het vermoeden dat ferro-elektriciteit een soort artefact was. We denken nu dat de wake-up-cycli nodig waren om de dipolen in "onreine " monsters gekweekt via andere technieken. In ons materiaal, de uitlijning is al aanwezig in de kristallen."

Volgens Noheda de resultaten zijn overtuigend:hafniumoxide is ferro-elektrisch op nanoschaal. Dit betekent dat van dit materiaal zeer kleine stukjes kunnen worden gemaakt, met als bijkomend voordeel dat ze schakelen op laagspanning. Verder, het specifieke substraat dat in deze studie is gebruikt, is magnetisch, en deze combinatie van magnetische en ferro-elektrische bits brengt een extra mate van vrijheid, waardoor elke bit dubbele informatie kan opslaan. Nu het mechanisme van ferro-elektriciteit op nanoschaal duidelijk is, het lijkt waarschijnlijk dat andere eenvoudige oxiden vergelijkbare eigenschappen zouden kunnen hebben. Noheda verwacht dat samen, dit zal veel nieuw onderzoek opleveren.