En ny familj av material som kan resultera i förbättrad digital informationslagring och använder mindre energi kan vara möjlig tack vare ett team av Penn State-forskare som visade ferroelektricitet i magnesiumsubstituerad zinkoxid.

Ferroelektriska material är spontant elektriskt polariserade eftersom negativa och positiva laddningar i materialet tenderar mot motsatta sidor och med applicering av ett externt elektriskt fält omorienteras. De kan påverkas av fysisk kraft, det är därför de är användbara för tryckknappständare som de som finns i gasolgrillar. De kan också användas för datalagring och minne, eftersom de förblir i ett polariserat tillstånd utan extra ström och så är digitala lagringslösningar med låg energi.

"Vi har identifierat en ny familj av material som vi kan göra små kondensatorer av och vi kan ställa in deras polarisationsorientering så att deras ytladdning är antingen plus eller minus, sa Jon-Paul Maria, Penn State professor i materialvetenskap och teknik, och medförfattare till tidningen publicerad i Journal of Applied Physics . "Den inställningen är icke-flyktig, vilket betyder att vi kan ställa in kondensatorn till plus, och det förblir plus, vi kan ställa in den på minus, det förblir minus. Och sedan kan vi komma tillbaka och identifiera hur vi ställer in den kondensatorn, att säga, en timme sedan."

Denna förmåga skulle kunna möjliggöra en form av digital lagring som inte använder lika mycket el som andra former.

"Denna typ av lagring kräver ingen extra energi, " sa Maria. "Och det är viktigt eftersom många av de datorminnen som vi använder idag kräver extra elektricitet för att upprätthålla informationen, och vi använder en betydande del av den amerikanska energibudgeten på information."

De nya materialen är gjorda med magnesium-substituerade zinkoxid tunna filmer. Filmen odlades via sputterdeponering, en process där argonjoner accelereras mot målmaterialen, påverka den med tillräckligt hög energi för att bryta atomer fri från målet som innehåller magnesium och zink. De frigjorda magnesium- och zinkatomerna färdas i en ångfas tills de reagerar med syre och samlas på ett platinabelagt aluminiumoxidsubstrat och bildar de tunna filmerna.

Forskare har studerat magnesiumsubstituerad zinkoxid som en metod för att öka zinkoxidens bandgap, en viktig materialegenskap som är viktig för att skapa halvledare. Dock, materialet undersöktes aldrig för ferroelektricitet. Ändå, forskarna trodde att materialet kunde göras ferroelektriskt, baserad på en idé om "ferroelektrisk överallt" som ställdes av Maria och Susan Trolier-McKinstry, Evan Pugh University professor, Steward S. Flaschen professor i keramisk vetenskap och teknik, och medförfattare på tidningen.

"Generellt, ferroelektricitet förekommer ofta i mineraler som är komplicerade ur struktur- och kemisynpunkt, " sa Maria. "Och vårt team föreslog idén för ungefär två år sedan, att det finns andra enklare kristaller där detta användbara fenomen kan identifieras, eftersom det fanns några ledtrådar som fick oss att föreslå denna möjlighet. Att säga "ferroelektrik överallt" är lite av en ordlek, men det fångar tanken att det fanns material runt omkring oss som gav oss tips, och vi ignorerade dessa tips under en lång tid."

Trolier-McKinstrys forskarkarriär har fokuserat på ferroelektrik, inklusive sökandet efter bättre ferroelektriska material med olika egenskaper. Hon noterade att universitetet i Kiel i Tyskland hade hittat det allra första av denna överraskande typ av ferroelektriska material 2019 i nitrider, men att hon och Maria har visat jämförbart beteende i en oxid.

En del av den process som Trolier-McKinstry och Marias grupp följde är att utveckla en meritvärde, en kvantitet som används i vetenskaper som analytisk kemi och materialforskning som kännetecknar en enhets prestanda, material eller metod i förhållande till alternativ.

"När vi tittar på alla ansökningar om material, vi utarbetar ofta en förtjänstsiffra som säger vilken kombination av materialegenskaper vi skulle behöva för en given tillämpning för att göra den så effektiv som möjligt, ", sa Trolier-McKinstry. "Och denna nya familj av ferroelektrik, det ger oss helt nya möjligheter för dessa förtjänstsiffror. Det är väldigt tilltalande för applikationer som vi historiskt sett inte har haft bra material för, så den här typen av utveckling av nya material tenderar att utlösa nya applikationer."

En ytterligare fördel med de magnesium-substituerade zinkoxid tunna filmerna är hur de kan avsättas vid mycket lägre temperaturer än andra ferroelektriska material.

"Den överväldigande majoriteten av elektroniskt material är framställt med hjälp av höga temperaturer, och höga temperaturer betyder allt från 300 till 1000 grader Celsius (572 till 1835 grader Fahrenheit), " sa Maria. "När du gör material vid förhöjda temperaturer, det kommer med många svårigheter. De tenderar att vara tekniska svårigheter, men ändå gör de allt mer utmanande. Tänk på att varje kondensator behöver två elektriska kontakter - om jag förbereder mitt ferroelektriska skikt vid höga temperaturer på minst en av dessa kontakter, någon gång kommer en oönskad kemisk reaktion att inträffa. Så, när du kan göra saker vid låga temperaturer, du kan integrera dem mycket lättare."

Nästa steg för de nya materialen är att göra dem till kondensatorer som är cirka 10 nanometer tjocka och 20 till 30 nanometer i laterala dimensioner, vilket är en svår teknisk utmaning. Forskarna måste skapa ett sätt att kontrollera tillväxten av materialen så att det inte finns några problem som brister i materialen. Trolier-McKinstry sa att att lösa dessa problem kommer att vara nyckeln till huruvida dessa material är användbara i ny teknik – mobiltelefoner med chips som använder mycket mindre energi, möjliggör en uthållig drift i en vecka eller mer.

"När man utvecklar nya material, du måste ta reda på hur de misslyckas, och sedan förstå hur man kan mildra dessa felmekanismer, Trolier-McKinstry sa. "Och för varje enskild applikation, du måste bestämma vad som är de väsentliga egenskaperna, och hur kommer de att utvecklas över tiden. Och tills du har gjort några mätningar på det, du vet inte vad de stora utmaningarna kommer att bli, och tillförlitligheten och tillverkningsbarheten är enorm när det gäller om detta material hamnar i din mobiltelefon om fem år."