Att använda ferroelektricitet istället för magnetism i datorns minne sparar energi. Om ferroelektriska bitar hade nanostorlek, detta skulle också spara utrymme. Men konventionell visdom dikterar att ferroelektriska egenskaper försvinner när bitarna görs mindre. Rapporter om att hafniumoxid kan användas för att göra en ferroelektrisk nanoskala har ännu inte övertygat fältet, Men fysiker från University of Groningen (UG) har nu samlat bevis som kan övertyga skeptikerna, publiceras i Naturmaterial den 22 oktober.

Ferroelektriska material har ett spontant dipolmoment som kan peka uppåt eller nedåt. Detta innebär att de kan användas för att lagra information, precis som magnetiska bitar på en hårddisk. Fördelen med ferroelektriska bitar är att de kan skrivas med låg spänning och effekt. Magnetiska bitar kräver stora strömmar för att skapa ett magnetfält för omkoppling, och därmed mer kraft. Nackdelen med ferroelektrik är att de inriktade dipolerna endast är stabila i ganska stora grupper, så om du gör kristallerna mindre, dipolmomentet försvinner så småningom.

Skepsis

"Att minska storleken på ferroelektriska material har varit ett forskningsämne i mer än 20 år, " säger UG Functional Nanomaterials Professor Beatriz Noheda. För cirka åtta år sedan, ett genombrott tillkännagavs av Nanoelectronic Materials Laboratory i Dresden, Tyskland. De hävdade att tunna filmer av hafniumoxid var ferroelektriska när de var tunnare än tio nanometer och att tjockare filmer faktiskt förlorade sina ferroelektriska egenskaper. Noheda säger, "Detta stred mot allt vi visste, så de flesta forskare var skeptiska, inklusive mig." En del av skepsisen berodde på att de ferroelektriska hafniumproverna som användes i dessa studier var polykristallina och visade flera faser, döljer varje tydlig grundläggande förståelse av ett sådant okonventionellt fenomen.

Noheda och hennes grupp bestämde sig för att undersöka saken. De ville studera dessa kristaller genom att odla rena (enfasiga) filmer på ett substrat. Med hjälp av röntgenspridning och högupplösta elektronmikroskopitekniker, de observerade att mycket tunna filmer (under tio nanometer) växer i en helt oväntad och tidigare okänd polär struktur, som är nödvändigt för ferroelektricitet. Genom att kombinera dessa observationer med noggranna transportmätningar, de bekräftade att materialet verkligen var ferroelektriskt. "I substratet som vi använde, atomerna var lite närmare än de i hafniumoxid, så att hafniumkristallerna skulle bli lite ansträngda, " förklarar Noheda.

Polär fas

Till deras förvåning, de märkte att kristallstrukturen förändrades när skikten översteg tio nanometer, på så sätt reproducera resultaten från Dresden-labbet. Noheda:"Vi använde en helt annan metod, men vi kom fram till liknande slutsatser. Detta bekräftade att ferroelektricitet i nanostora hafniumoxidkristaller verkligen är verklig och okonventionell. Och det ställde frågan:varför händer detta?"

Den gemensamma nämnaren i båda studierna var storlek. Små kristaller blev ferroelektriska, medan större kristaller förlorade denna egenskap. Detta ledde till att forskarna studerade fasdiagrammen för hafniumoxid. I en mycket liten storlek, partiklar har en mycket stor ytenergi, skapar tryck på upp till 5 gigapascal i kristallen. Fasdiagrammen visar ett annat kristallarrangemang vid ett sådant tryck. "Detta tryck, tillsammans med den substratpålagda belastningen, inducerar en polär fas, vilket är i linje med observationen att dessa kristaller är ferroelektriska, avslutar Noheda.

Väckningscykel

Ytterligare ett viktigt fynd är att i motsats till de tunna filmerna i Dresden, de nya kristallerna behöver inte en "uppvakningscykel" för att bli ferroelektriska. Noheda:"De tidigare studerade tunna filmerna blev ferroelektriska först efter att ha gått igenom ett antal växlingscykler. Detta ökade misstanken om att ferroelektricitet var någon sorts artefakt. Vi tror nu att uppvakningscyklerna var nödvändiga för att rikta in dipolerna i "orent " prover odlade med andra tekniker. I vårt material, inriktningen finns redan i kristallerna."

Enligt Nohedas åsikt, resultaten är avgörande:hafniumoxid är ferroelektrisk på nanoskala. Detta innebär att mycket små bitar kan konstrueras av detta material, med den extra fördelen att de växlar vid låg spänning. Vidare, det speciella substratet som används i denna studie är magnetiskt, och denna kombination av magnetiska och ferroelektriska bitar ger en extra grad av frihet, tillåta varje bit att lagra dubbla informationen. Nu när mekanismen för ferroelektricitet i nanostorlek är tydlig, det verkar troligt att andra enkla oxider kan ha liknande egenskaper. Noheda förväntar sig att tillsammans, detta kommer att utlösa en hel del ny forskning.