Forskare och ingenjörer har under det senaste decenniet drivit på att utnyttja ett svårfångat ferroelektriskt material som kallas hafniumoxid, eller hafnia, för att inleda nästa generations datorminne. Ett team av forskare inklusive University of Rochester's Sobhit Singh publicerade en studie i Proceedings of the National Academy of Sciences beskriver framsteg mot att göra bulkferroelektriska och antiferroelektriska hafnia tillgängliga för användning i en mängd olika applikationer.

I en specifik kristallfas uppvisar hafnia ferroelektriska egenskaper - det vill säga elektrisk polarisation som kan ändras i en eller annan riktning genom att applicera ett externt elektriskt fält. Denna funktion kan utnyttjas i datalagringsteknik. När det används i datorer har ferroelektriskt minne fördelen av icke-flyktighet, vilket innebär att det behåller sina värden även när det är avstängt, en av flera fördelar jämfört med de flesta typer av minne som används idag.

"Hafnia är ett mycket spännande material på grund av dess praktiska tillämpningar inom datorteknik, speciellt för datalagring", säger Singh, biträdande professor vid institutionen för maskinteknik. "För att lagra data använder vi för närvarande magnetiska former av minne som är långsamma, kräver mycket energi för att fungera och inte är särskilt effektiva. Ferroelektriska former av minne är robusta, ultrasnabba, billigare att producera och mer energieffektiva. ."

Men Singh, som utför teoretiska beräkningar för att förutsäga materialegenskaper på kvantnivå, säger att bulkhafnia inte är ferroelektrisk i sitt grundtillstånd. Fram till nyligen kunde forskare bara få hafnia till sitt metastabila ferroelektriska tillstånd när de spände den som en tunn, tvådimensionell film med nanometertjocklek.

År 2021 var Singh en del av ett team av forskare vid Rutgers University som fick hafnia att stanna i sitt metastabila ferroelektriska tillstånd genom att legera materialet med yttrium och snabbt kyla det. Ändå hade detta tillvägagångssätt vissa nackdelar. "Det krävdes mycket yttrium för att komma till den önskade metastabila fasen", säger han.

"Så samtidigt som vi uppnådde det vi var ute efter, hindrade vi samtidigt många av materialets nyckelegenskaper eftersom vi introducerade en massa orenheter och oordning i kristallen. Frågan blev hur vi kan komma till det metastabilt tillstånd med så lite yttrium som möjligt för att förbättra det resulterande materialets egenskaper?"

I den nya studien beräknade Singh att man genom att applicera betydande tryck kunde stabilisera bulk hafnia i dess metastabila ferroelektriska och antiferroelektriska former – som båda är spännande för praktiska tillämpningar i nästa generations data- och energilagringsteknologier.

Ett team ledd av professor Janice Musfeldt vid University of Tennessee, Knoxville, utförde högtrycksexperimenten och visade att materialet vid det förutsagda trycket omvandlades till den metastabila fasen och förblev där även när trycket togs bort.

"Detta är som ett utmärkt exempel på experimentell-teoretisk samverkan", säger Musfeldt.

Det nya tillvägagångssättet krävde bara ungefär hälften så mycket yttrium som en stabilisator, vilket avsevärt förbättrade kvaliteten och renheten hos de odlade hafniakristallerna. Nu säger Singh att han och de andra forskarna kommer att driva på att använda mindre och mindre yttrium tills de kommer på ett sätt att producera ferroelektrisk hafnia i bulk för utbredd användning.

Och eftersom hafnia fortsätter att dra till sig allt större uppmärksamhet på grund av sin spännande ferroelektricitet, organiserar Singh en inbjuden fokussession om materialet vid American Physical Societys marsmöte 2024.

Mer information: Musfeldt, J. L. et al, Structural phase purification of bulk HfO2:Y through pressure cycling, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2312571121. doi.org/10.1073/pnas.2312571121

Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences

Tillhandahålls av University of Rochester