Under de senaste åren har en klass av material som kallas antiferroelektrik i allt högre grad studerats för sina potentiella tillämpningar i moderna datorminnen. Forskning har visat att antiferroelektriska minnen kan ha högre energieffektivitet och snabbare läs- och skrivhastigheter än konventionella minnen, bland andra tilltalande egenskaper. Vidare är samma föreningar som kan uppvisa antiferroelektriskt beteende redan integrerade i befintliga tillverkningsprocesser för halvledarchip.

Nu har ett team ledd av Georgia Tech-forskare upptäckt oväntat välbekant beteende i det antiferroelektriska materialet som kallas zirkoniumdioxid eller zirkoniumoxid. De visar att när materialets mikrostruktur minskar i storlek, beter det sig på samma sätt som mycket bättre förstådda material som kallas ferroelektriska ämnen. Resultaten publicerades nyligen i tidskriften Advanced Electronic Materials .

Miniatyrisering av kretsar har spelat en nyckelroll för att förbättra minnesprestanda under de senaste femtio åren. Att veta hur egenskaperna hos ett antiferroelektriskt material förändras med krympande storlek bör möjliggöra utformningen av mer effektiva minneskomponenter.

Forskarna noterar också att fynden borde ha implikationer på många andra områden förutom minnet.

"Antiferroelektrik har en rad unika egenskaper som hög tillförlitlighet, högspänningsbeständighet och breda driftstemperaturer som gör dem användbara i en mängd olika enheter, inklusive kondensatorer med hög energidensitet, givare och elektrooptiska kretsar." sa Nazanin Bassiri-Gharb, medförfattare till artikeln och professor vid Woodruff School of Mechanical Engineering och School of Materials Science and Engineering vid Georgia Tech. "Men storleksskalningseffekter hade till stor del gått under radarn under en lång tid."

"Du kan designa din enhet och göra den mindre genom att veta exakt hur materialet kommer att prestera", säger Asif Khan, medförfattare till tidningen och biträdande professor vid School of Electrical and Computer Engineering och School of Materials Science and Engineering i Georgia Tech. "Från vår synvinkel öppnar det verkligen ett nytt forskningsfält."

Beständiga fält

Den avgörande egenskapen hos ett antiferroelektriskt material är det märkliga sättet det reagerar på ett yttre elektriskt fält. Detta svar kombinerar egenskaper hos icke-ferroelektriska och ferroelektriska material, som har studerats mycket mer intensivt inom fysik och materialvetenskap.

För ferroelektrik gör exponering för ett externt elektriskt fält med tillräcklig styrka att materialet blir starkt polariserat, vilket är ett tillstånd där materialet uppvisar sitt eget inre elektriska fält. Även när det externa elektriska fältet tas bort kvarstår denna polarisering, på samma sätt som en järnspik kan bli permanent magnetiserad.

Beteendet hos ett ferroelektriskt material beror också på dess storlek. Eftersom ett materialprov görs tunnare krävs ett starkare elektriskt fält för att skapa en permanent polarisering, i enlighet med en exakt och förutsägbar lag som kallas Janovec–Kay–Dunn (JKD)-lagen.

Däremot orsakar applicering av ett externt elektriskt fält på ett antiferroelektriskt material inte att materialet blir polariserat - till en början. Men när styrkan på det externa fältet ökar, växlar ett antiferroelektriskt material så småningom till en ferroelektrisk fas, där polariseringen plötsligt sätter in. Det elektriska fältet som behövs för att koppla om det antiferroelektriska materialet till en ferroelektrisk fas kallas det kritiska fältet.

Storleksskalning

I det nya arbetet upptäckte forskarna att antiferroelektriska zirkoniumoxider också följer något som liknar en JKD-lag. Men till skillnad från ferroelektrik spelar materialets mikrostruktur en nyckelroll. Styrkan hos det kritiska fältet skalar i JKD-mönstret specifikt med avseende på storleken på strukturer som kallas kristalliter i materialet. För en mindre kristallitstorlek krävs ett starkare kritiskt fält för att växla ett antiferroelektriskt material till sin ferroelektriska fas, även om provets tunnhet förblir densamma.

"Det hade inte funnits en förutsägande lag som dikterar hur omkopplingsspänningen kommer att förändras när man miniatyriserar dessa antiferroelektriska oxidenheter," sa Khan. "Vi har hittat en ny twist på en gammal lag."

Tidigare hade tunna antiferroelektriska produkter varit svåra att tillverka i jämförbara storlekar som ferroelektriska, sa forskarna. Nujhat Tasneem, doktoranden som leder forskningen, tillbringade "dag och natt" i labbet enligt Khan för att bearbeta och producera läckagefria antiferroelektriska zirkoniumoxidfilmer av enstaka nanometer i storlek. Nästa steg, enligt Khan, är för forskare att ta reda på exakt hur man kontrollerar kristallitens storlek och därigenom skräddarsy materialets egenskaper för dess användning i kretsar.

Forskaren samarbetade också med forskare från Charles University i Tjeckien och Universidad Andres Bello i Chile för röntgendiffraktionskarakterisering respektive förstaprincipbaserade beräkningar.

"Det var verkligen ett samarbete som spänner över flera kontinenter", sa Tasneem.

Resultaten bör också tala för grundläggande fysikfrågor, enligt Bassiri-Gharb. Under de senaste åren har något av ett mysterium uppstått i studiet av antiferroelektrik, där sättet som mikroskopiska kristallina strukturer orsakar en makroskopisk polarisation har ifrågasatts.

"Att hitta två mycket olika typer av material - ferroelektriska och antiferroelektriska med olika atomstrukturer - för att följa liknande beteenden och lagar är särskilt spännande", säger Bassiri-Gharb. "Det öppnar dörrar för att söka efter fler likheter och överföra mer av vår kunskap över fälten." + Utforska vidare

Fysiker konstruerar ny egenskap av "vit" grafen