محققان انتقال فاز فروالکتریک ناشی از محیط زیست منحصر به فردی را در اکسید هافنیوم زیرکونیوم پیدا کردند.
تیمی از دانشمندان آزمایشگاه ملی اوک ریج وزارت انرژی، رفتار اکسید هافنیوم یا هافنیا را به دلیل پتانسیل آن برای استفاده در کاربردهای نیمه هادی جدید بررسی کرده اند.
موادی مانند هافنیا فروالکتریکی را نشان می‌دهند، به این معنی که می‌توانند داده‌ها را حتی زمانی که برق قطع می‌شود ذخیره کنند و ممکن است در توسعه فناوری‌های جدید حافظه غیرفرار استفاده شوند. برنامه های نوآورانه حافظه غیرفرار راه را برای ایجاد سیستم های کامپیوتری بزرگتر و سریعتر با کاهش گرمای تولید شده از انتقال مداوم داده ها به حافظه کوتاه مدت هموار می کند.
دانشمندان بررسی کردند که آیا جو نقشی در توانایی هافنیا برای تغییر آرایش بار الکتریکی داخلی خود در هنگام اعمال میدان الکتریکی خارجی دارد یا خیر. هدف این بود که طیف وسیعی از پدیده های غیرعادی را که در تحقیقات حفنی به دست آمده است، توضیح دهیم. یافته های این تیم اخیرا در Nature Materials منتشر شده است .
ما به طور قطعی ثابت کرده‌ایم که رفتار فروالکتریک در این سیستم‌ها با سطح جفت می‌شود و با تغییر جو اطراف قابل تنظیم است. پیش از این، عملکرد این سیستم‌ها حدس و گمان بود، فرضیه‌ای بر اساس تعداد زیادی مشاهدات هم توسط گروه ما و هم توسط گروه‌های متعدد در سراسر جهان.” CNMS یک تسهیلات کاربر دفتر علوم DOE است.
کلی این آزمایش ها را انجام داد و پروژه را با همکاری سرگئی کالینین از دانشگاه تنسی، ناکسویل تصور کرد.
موادی که معمولاً برای برنامه های حافظه استفاده می شوند دارای یک لایه سطحی یا مرده هستند که در توانایی مواد برای ذخیره اطلاعات اختلال ایجاد می کند. از آنجایی که مواد به ضخامت چند نانومتر کوچک می شوند، اثر لایه مرده به اندازه ای شدید می شود که به طور کامل خواص عملکردی را متوقف می کند. با تغییر جو، دانشمندان توانستند رفتار لایه سطحی را تنظیم کنند که در حالت هافنیا، ماده از حالت ضد فروالکتریک به حالت فروالکتریک منتقل شد.
کلی گفت: «در نهایت، این یافته‌ها مسیری را برای مدل‌سازی پیش‌بینی‌کننده و مهندسی دستگاه هافنیا فراهم می‌کند، که با توجه به اهمیت این ماده در صنعت نیمه‌رسانا، به آن نیاز فوری است.»
مدل‌سازی پیش‌بینی‌کننده، دانشمندان را قادر می‌سازد تا از تحقیقات قبلی برای تخمین خواص و رفتار یک سیستم ناشناخته استفاده کنند. مطالعه ای که کلی و کالینین رهبری کردند بر روی هافنیای آلیاژ شده یا مخلوط شده با زیرکونیا، یک ماده سرامیکی متمرکز بود. اما تحقیقات آینده می‌تواند این یافته‌ها را برای پیش‌بینی چگونگی رفتار هافنیا در آلیاژ شدن با عناصر دیگر به کار گیرد.
این تحقیق بر روی میکروسکوپ نیروی اتمی هم در داخل جعبه دستکش و هم در شرایط محیطی و همچنین میکروسکوپ نیروی اتمی با خلاء فوق‌العاده، روش‌های موجود در CNMS است.
کلی گفت: «استفاده از قابلیت‌های منحصربه‌فرد CNMS ما را قادر به انجام این نوع کار کرد. ما اساساً محیط را از اتمسفر محیطی به خلاء فوق العاده بالا تغییر دادیم. به عبارت دیگر، ما تمام گازهای موجود در اتمسفر را تا سطوح ناچیز حذف کردیم و این واکنش‌ها را اندازه‌گیری کردیم که انجام آن بسیار سخت است.
اعضای تیم از تاسیسات مشخصه مواد در دانشگاه کارنگی ملون با ارائه مشخصات میکروسکوپ الکترونی نقش کلیدی در این تحقیق ایفا کردند و همکارانی از دانشگاه ویرجینیا توسعه و بهینه سازی مواد را رهبری کردند.
Yongtao Liu از ORNL، محققی با CNMS، اندازه‌گیری‌های میکروسکوپ نیروی واکنش پیزو محیطی را انجام داد.
تئوری مدلی که زیربنای این پروژه تحقیقاتی بود، نتیجه یک مشارکت تحقیقاتی طولانی بین کالینین و آنا موروزوفسکا در موسسه فیزیک، آکادمی ملی علوم اوکراین بود.
کالینین گفت: “من تقریباً 20 سال است که با همکارانم در کیف روی فیزیک و شیمی فروالکتریک کار کرده ام.” «آنها در حالی که تقریباً در خط مقدم جنگ در آن کشور بودند، برای این مقاله کارهای زیادی انجام دادند. این افراد در شرایطی به انجام علم ادامه می‌دهند که اکثر ما نمی‌توانیم تصور کنیم.»
این تیم امیدوار است که آنچه که آنها کشف کرده اند، تحقیقات جدیدی را برای بررسی نقش سطح کنترل شده و الکتروشیمی رابط – رابطه بین الکتریسیته و واکنش های شیمیایی – در عملکرد یک دستگاه محاسباتی تحریک کند.
Kelley گفت: «مطالعات آینده می‌تواند این دانش را به سیستم‌های دیگر تعمیم دهد تا به ما در درک چگونگی تأثیر این رابط بر ویژگی‌های دستگاه کمک کند، که امیدواریم به روشی خوب باشد. «معمولاً، رابط زمانی که به این ضخامت‌ها مقیاس شود، خواص فروالکتریک شما را از بین می‌برد. در این مورد، انتقال از یک حالت مادی به حالت دیگر را به ما نشان داد.»
کالینین افزود: «به طور سنتی، ما سطوح را در سطح اتمی برای درک پدیده‌هایی مانند واکنش‌پذیری شیمیایی و کاتالیز، یا تغییر سرعت یک واکنش شیمیایی بررسی می‌کردیم. به طور همزمان، در فناوری نیمه هادی سنتی، هدف ما فقط تمیز نگه داشتن سطوح از آلودگی ها بود. مطالعات ما نشان می دهد که در واقع، این دو ناحیه – سطح و الکتروشیمی – به هم متصل هستند. ما می‌توانیم از سطوح این مواد برای تنظیم خواص عملکردی عمده آنها استفاده کنیم.»
عنوان مقاله ” فروالکتریک در هافنیا از طریق حالت الکتروشیمیایی سطحی کنترل می شود.”
این تحقیق به عنوان بخشی از مرکز میکروالکترونیک فروالکتریک سه بعدی، یک مرکز تحقیقات مرزی انرژی که توسط دفتر علوم DOE، برنامه علوم پایه انرژی پشتیبانی می‌شود، پشتیبانی شد و تا حدی به عنوان یک پیشنهاد کاربر در CNMS انجام شد.
– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت آزمایشگاه ملی Oak Ridge منتشر شد