Hafniumbaserade tunna filmer, med en tjocklek på bara några nanometer, uppvisa en okonventionell form av ferroelektricitet. Detta möjliggör konstruktion av nanometerstora minnen eller logiska enheter. Dock, det var inte klart hur ferroelektricitet kunde uppstå i denna skala. En studie som leddes av forskare från universitetet i Groningen visade hur atomer rör sig i en hafniumbaserad kondensator:migrerande syreatomer (eller vakanser) är ansvariga för den observerade omkopplingen och lagringen av laddning. Resultaten, som publicerades online av tidskriften Vetenskap den 15 april, visa vägen till nya ferroelektriska material.

Ferroelektriska material uppvisar spontan polarisation som kan vändas eller växlas med hjälp av ett elektriskt fält. Det används i icke-flyktiga minnen eller konstruktion av logiska enheter. En nackdel med dessa material är att när storleken på kristallerna reduceras till under en viss gräns, de ferroelektriska egenskaperna går förlorade. Dock, för några år sedan, forskare föreslog att hafniumbaserade oxider kunde uppvisa ferroelektricitet vid dimensioner i nanoskala.

Mikroskop

Under 2018, ett team ledd av Beatriz Noheda, professor i funktionella nanomaterial vid universitetet i Groningen, bekräftade dessa speciella egenskaper hos hafniumoxider. "Dock, vi visste inte exakt hur denna ferroelektricitet uppstod, " säger hon. "Vi visste att mekanismen i dessa hafniumbaserade tunna membran är annorlunda. Eftersom ferroelektrisk omkoppling är något som sker i atomär skala, vi bestämde oss för att studera hur atomstrukturen av detta material reagerar på ett elektriskt fält, både med den kraftfulla röntgenkällan vid MAX-IV synkrotronen i Lund och vårt formidabla elektronmikroskop i Groningen."

Universitetet har ett toppmodernt elektronmikroskop vid elektronmikroskopicentret vid Zernike Institute for Advanced Materials, med vilken gruppen Bart Kooi, medförfattare till Vetenskap papper, framgångsrikt avbildade de lättaste atomerna i det periodiska systemet – väte – för första gången 2020. Det är här första författaren Pavan Nukala kommer in. Han arbetade som Marie Curie-forskare vid universitetet i Groningen och hade en bakgrund inom elektronmikroskopi och materialvetenskap, speciellt i dessa ferroelektriska hafniumsystem.

Syre

Dock, om det är svårt att förbereda ett prov för avbildning av atomer, då ökar behovet av att applicera ett elektriskt fält över en anordning in situ svårigheten med flera storleksordningar. Lyckligtvis, ungefär samtidigt, Majid Ahmadi (en mästare på in situ experiment) gick med i Koois grupp. "Vi var alla ganska övertygade om att om det fanns en plats där byte av hafnium kunde visualiseras på plats i atomär skala, det skulle vara här vid ZIAM elektronmikroskopicenter. Den drar nytta av en unik kombination av rätt expertis inom materialvetenskap, mikroskopi och infrastruktur, " förklarar Noheda.

De rätta protokollen för att bygga hafniumbaserade elektrontransparenta kondensatorer med hjälp av fokuserad jonstråle har utvecklats av Ahmadi och Nukala. "Vi avbildade atomgittret av hafnium-zirkoniumoxid mellan två elektroder, inklusive lätta syreatomer, " Nukala förklarar. "Folk trodde att syreatomförskjutning i hafnium ger upphov till polarisering. Så vilken mikroskopi som helst skulle bara vara vettigt om syre kunde avbildas och vi hade det exakta verktyget för det. Sedan applicerade vi en extern spänning på kondensatorn och såg atomförändringarna i realtid." Ett sådant experiment på plats med direkt avbildning av syreatomer inuti elektronmikroskopet hade aldrig gjorts.

Migration

"En viktig egenskap som vi observerade är att syreatomerna rör sig, " förklarar Nukala. "De laddas och migrerar efter det elektriska fältet mellan elektroderna genom hafniumskiktet. En sådan reversibel laddningstransport möjliggör ferroelektricitet." Noheda tillägger:"Detta var en stor överraskning."

Det finns också en liten förskjutning i atompositioner på pikometerskalan inuti enhetscellerna, men den totala effekten av syremigreringen från ena sidan till den andra sidan på enhetens respons är mycket större. Denna upptäckt banar väg för nya material som skulle kunna användas för nanometerstora lagrings- och logikenheter. "Hafniumbaserade ferroelektriska minnen är redan i produktion, även om mekanismen bakom deras beteende var okänd, " säger Nukala. "Vi har nu öppnat vägen mot en ny generation av syreledande, kiselkompatibla ferroelektriska material."

Noheda, vem är chef för CogniGron, Groningen Cognitive Systems and Materials Center, som utvecklar nytt material för kognitiv datoranvändning, kan se intressanta tillämpningar för den nya typen av ferroelektriska material. "Syremigration är mycket långsammare än dipolbyte. I minnessystem som kan efterlikna hjärncellernas korttids- och långtidsminne, materialforskare försöker för närvarande göra hybridsystem av olika material för att kombinera dessa två mekanismer. "Vi kan nu göra det i samma material. Och genom att kontrollera syrerörelsen, vi skulle kunna skapa mellanliggande tillstånd, på nytt, som du hittar i neuroner."

Defekter

Nukala, som nu är biträdande professor vid Indian Institute of Science, är också intresserad av att utforska materialets piezoelektriska eller elektromekaniska egenskaper. "All konventionell ferroelektrisk är också piezoelektrisk. Vad sägs om dessa nya giftfria, kiselvänlig ferroelektrik? Det finns en möjlighet här att utforska deras potential inom mikroelektromekaniska system."

I slutet, egenskaperna hos detta nya material härrör från brister. "Syret kan bara färdas för att det finns syrevakans inuti kristallstrukturen, " säger Nukala. "Faktiskt, du kan också beskriva vad som händer som en migrering av dessa lediga tjänster. These structural defects are the key to the ferroelectric behavior and, i allmänhet, give materials novel properties."