Op Hafnium gebaseerde dunne films, met een dikte van slechts enkele nanometers, vertonen een onconventionele vorm van ferro-elektriciteit. Dit maakt de constructie van geheugens of logische apparaten ter grootte van een nanometer mogelijk. Echter, het was niet duidelijk hoe ferro-elektriciteit op deze schaal kon optreden. Een onderzoek onder leiding van wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen liet zien hoe atomen bewegen in een op hafnium gebaseerde condensator:migrerende zuurstofatomen (of vacatures) zijn verantwoordelijk voor het waargenomen schakelen en opslaan van lading. De resultaten, die online werden gepubliceerd door het tijdschrift Wetenschap op 15 april, wijzen de weg naar nieuwe ferro-elektrische materialen.

Ferro-elektrische materialen vertonen spontane polarisatie die kan worden omgekeerd of geschakeld met behulp van een elektrisch veld. Het wordt gebruikt in niet-vluchtige geheugens of de constructie van logische apparaten. Een nadeel van deze materialen is dat wanneer de grootte van de kristallen wordt verminderd tot onder een bepaalde limiet, de ferro-elektrische eigenschappen gaan verloren. Echter, een paar jaar geleden, onderzoekers suggereerden dat op hafnium gebaseerde oxiden ferro-elektriciteit zouden kunnen vertonen op nanoschaaldimensies.

Microscoop

in 2018, een team onder leiding van Beatriz Noheda, hoogleraar functionele nanomaterialen aan de Rijksuniversiteit Groningen, bevestigde deze bijzondere eigenschappen van hafniumoxiden. "Echter, we wisten niet precies hoe deze ferro-elektriciteit ontstond, " zegt ze. "We wisten dat het mechanisme in deze op hafnium gebaseerde dunne membranen anders is. Omdat ferro-elektrisch schakelen iets is dat op atomaire schaal plaatsvindt, we besloten te bestuderen hoe de atomaire structuur van dit materiaal reageert op een elektrisch veld, zowel met behulp van de krachtige röntgenbron op de MAX-IV synchrotron in Lund als onze formidabele elektronenmicroscoop in Groningen."

De universiteit huisvest een ultramoderne elektronenmicroscoop in het elektronenmicroscopiecentrum van het Zernike Institute for Advanced Materials, waarmee de groep van Bart Kooi, co-auteur van de Wetenschap papier, bracht in 2020 voor het eerst met succes de lichtste atomen in het periodiek systeem – waterstof – in beeld. Hier komt eerste auteur Pavan Nukala om de hoek kijken. Hij werkte als Marie Curie Research Fellow aan de Rijksuniversiteit Groningen en had een achtergrond in elektronenmicroscopie en materiaal kunde, vooral in deze ferro-elektrische hafniumsystemen.

Zuurstof

Echter, als de voorbereiding van een monster voor de beeldvorming van atomen lastig is, dan verhoogt de noodzaak om een ​​elektrisch veld in situ over een apparaat aan te leggen de moeilijkheidsgraad met verschillende ordes van grootte. Gelukkig, rond dezelfde tijd, Majid Ahmadi (een meester in in situ experimenten) sloot zich aan bij Kooi's groep. "We waren er allemaal behoorlijk van overtuigd dat als er één plaats was waar het omschakelen van hafnium in situ op atomaire schaal kon worden gevisualiseerd, het zou hier in het ZIAM elektronenmicroscopiecentrum zijn. Het profiteert van een unieke combinatie van de juiste expertise in materiaalkunde, microscopie en infrastructuur, ' legt Noheda uit.

Ahmadi en Nukala hebben de juiste protocollen ontwikkeld voor het bouwen van op hafnium gebaseerde elektronentransparante condensatoren met behulp van een gefocusseerde ionenbundel. "We hebben het atomaire rooster van hafnium-zirkoniumoxide tussen twee elektroden in beeld gebracht, inclusief de lichte zuurstofatomen, Nukala legt uit. "Mensen geloofden dat de verplaatsing van zuurstofatomen in hafnium polarisatie veroorzaakt. Dus elke microscopie zou alleen zin hebben als zuurstof in beeld kon worden gebracht en we hadden de exacte tool daarvoor. Daarna zetten we een externe spanning op de condensator en keken naar de atomaire veranderingen in realtime." Zo'n in situ experiment met directe beeldvorming van zuurstofatomen in de elektronenmicroscoop was nog nooit gedaan.

Migratie

"Een belangrijk kenmerk dat we hebben waargenomen, is dat de zuurstofatomen bewegen, " legt Nukala uit. "Ze zijn geladen en migreren volgens het elektrische veld tussen de elektroden door de hafniumlaag. Zo'n omkeerbaar ladingstransport maakt ferro-elektriciteit mogelijk." Noheda vult aan:"Dit was een grote verrassing."

Er is ook een kleine verschuiving in atomaire posities op de picometerschaal in de eenheidscellen, maar het algehele effect van de zuurstofmigratie van de ene naar de andere kant op de respons van het apparaat is veel groter. Deze ontdekking maakt de weg vrij voor nieuwe materialen die kunnen worden gebruikt voor opslag- en logische apparaten ter grootte van nanometers. "Hafnium-gebaseerde ferro-elektrische geheugens zijn al in productie, hoewel het mechanisme achter hun gedrag onbekend was, ", zegt Nukala. "We hebben nu de weg geopend naar een nieuwe generatie zuurstofgeleidende, silicium-compatibele ferro-elektrische materialen."

Noheda, wie is de directeur van CogniGron, het Groningen Cognitive Systems and Materials Center, die nieuwe materialen ontwikkelt voor cognitief computergebruik, ziet interessante toepassingen voor het nieuwe type ferro-elektrische materialen. "Zuurstofmigratie is veel langzamer dan dipoolomschakeling. In geheugensystemen die het korte- en langetermijngeheugen van hersencellen kunnen nabootsen, materiaalwetenschappers proberen momenteel hybride systemen te maken van verschillende materialen om deze twee mechanismen te combineren. "We kunnen het nu in hetzelfde materiaal doen. En door de zuurstofbeweging te beheersen, we zouden tussentoestanden kunnen creëren, opnieuw, zoals je vindt in neuronen."

gebreken

Nukala, die nu assistent-professor is aan het Indian Institute of Science, is ook geïnteresseerd in het onderzoeken van de piëzo-elektrische of elektromechanische eigenschappen van het materiaal. "Alle conventionele ferro-elektriciteit is ook piëzo-elektrisch. Hoe zit het met deze nieuwe niet-giftige, siliciumvriendelijke ferro-elektriciteit? Er is hier een kans om hun potentieel in micro-elektromechanische systemen te verkennen."

Uiteindelijk, de eigenschappen van dit nieuwe materiaal komen voort uit onvolkomenheden. "De zuurstof kan alleen reizen omdat er zuurstofvacatures zijn in de kristalstructuur, " zegt Nukala. "In feite, je zou ook kunnen beschrijven wat er gebeurt als een migratie van deze vacatures. These structural defects are the key to the ferroelectric behavior and, in het algemeen, give materials novel properties."